作者: James R. Risko
出版商: Chemical Engineering, November 2006, p. 44-49.
此文章由TLV Shanghai翻译，以释义英语原文
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随着近年来石油和其他自然资源成本的大幅上涨，如何降低化工企业的运行成本成为了迫在眉睫的课题。对于那些以原油或天然气为原料的化工企业，通过提高能源能效或产能都能起到降低运行成本的目的。无论哪种情况，蒸汽都是作为厂内工艺首要的热能或热动力源。通过更有效地蒸汽使用、降低能源成本，从而获得盈利与通过提高产量获得盈利有着异曲同工之妙。
其实，很多情况下提高产量与高效使用工艺供汽是息息相关的，这种紧密关系不仅在石化企业存在，在很多非石油原料的工厂中也存在。
回顾基础蒸汽链由4个基本要素组成；
- 蒸汽的产生（锅炉，余热锅炉或闪蒸罐）
- 蒸汽的配送（传输，汽轮机和蒸汽减压系统）
- 蒸汽的使用（汽提，工艺加热，涡轮驱动，燃烧器雾化，伴热，火炬，HVAC——采暖通风与空调等等）
- 冷凝水回收（回收冷凝水和脱盐水中的热能；减少对环境的影响和水处理成本）
采用当代主流工艺的工厂中，可以通过冷凝水回收挖掘更多提高能效的机会，这个领域也是众多节能减排文章所关注的焦点。
如需把蒸汽的利用率发挥到极致，就必须确保蒸汽的干燥度（如工艺用汽）或过热度（如汽轮机），这便要求公用部门尽可能供应高品质的蒸汽，并在输送过程中尽量避免损耗。由于蒸汽一旦释放热量就会产生冷凝水，必须在蒸汽输送管道及用汽设备后策略性地设置疏水点，冷凝水一形成就能通过疏水点排除。
此外，通常采用向系统中喷射高温冷凝水的方法对过热蒸汽进行减温，故，在减温站下游的蒸汽可能过湿。无论哪种情况，只要蒸汽中仍残存冷凝水，就将会对蒸汽系统造成严重的负面影响。
如果不能及时排除蒸汽供应或工艺端的冷凝水，可能带来的如下后果：
- 减产——夹带在蒸汽中进入工艺的冷凝水携带的热量远小于蒸汽
- 喷嘴损坏——夹带的冷凝水极易冲蚀喷嘴，影响真空或雾化效果
- 功率损耗——夹带的冷凝水会降低汽轮机工作效率
- 增加维修负荷——水锤会损坏设备，诸如汽轮机的叶片，控制阀的填料等
- 增加安全风险——水锤可能威胁人身安全
- 降低工艺可控性——换热器溢流会导致控制不稳定
在很多工厂，操作人员已经意识到冷凝水一旦形成，就应及时排除的重要性，并加以实施，可惜现场没有配置合适的冷凝水排水或配送系统，于是乎，很多时候冷凝水就会被直排到下水道或排水沟。这种简单、直接的操作并非有效的冷凝水处理手段，且伴有以下隐患：
- 高温软水浪费造成的经济损失
- 汽轮机或其它工艺设备为防止积水或损坏而刻意打开旁通，造成大量的蒸汽浪费
- 因为锅炉给水处理量的增加，加剧系统腐蚀的隐患
冷凝水的排水传统上采用蒸汽疏水阀或配有液位罐和出口控制的设备来实现。有些工况下，设备下游冷凝水回收管线的高背压可能造成“滞流”现象，此时，就需采用一种泵和疏水阀结合的设计来排出冷凝水，这种设计既可在正压差下通过疏水阀疏水，也可以在负压差下通过泵进行疏水，同时还能够阻隔蒸汽，即所谓的“泵式疏水”或“动力疏水”。
目前至少有三种冷凝水排放模式可供选择，而选择的依据应侧重于 “疏水点”而并非单纯排除冷凝水的设备——“疏水阀”；顺着这个思路，就不会发生明明应该安装其它冷凝水排放方案的工况却只安装了疏水阀。
图1 改善余热锅炉生产的蒸汽的品质
如图1所示，采用汽水分离器的方案分离供汽管道内蒸汽（包括闪蒸汽或再生蒸汽）中夹带的冷凝水，以起到向厂内输送高品质蒸汽的效果；另一方面，疏水阀排除从蒸汽中分离出来的冷凝水。“疏水阀”——顾名思义，其作用就是排除冷凝水，“阻断”蒸汽。疏水阀无法满足的高压或超大排量工况，可采用液位罐疏水方案。
一个工厂里，有效排除冷凝水且需要特别设计的场合，往往不止一种方案可以适用，如图2a和2b所示，即输送诸如液体硫磺或高沸烃等高熔点物料的夹套管疏水的两种方案。
图2a 输送高温流体（如硫磺）的夹套管疏水点最佳配置
图2b 另一种，实际工况比较常见的输送高温流体（如硫磺）的夹套管疏水点配置（无“滞流”）
针对某些特别的工况，如蒸汽加热的换热器疏水系统，首先要确认该系统是否可能发生“滞流”；如果是，冷凝水就无法通过一个简单的蒸汽疏水阀排放。通常，带有蒸汽压力控制的系统，疏水设备前后如果形成负压差，就会发生“滞流”；此时，就需要采用所谓的“类型II”二次压力疏水设备——疏水阀泵（图3），确保系统负压差下的疏水；而所谓的“类型I”二次压力疏水设备——疏水阀泵（图4），适用于回收、泵送冷凝水至高背压回收管，即，疏水设备前后始终处于负压差。
图3 排水设备前后始终正压差时，蒸汽换热器的配置
图4 蒸汽换热器通过“动力疏水”方式排出疏水设备前后负压差时（“滞流”）的冷凝水
停止无故吹扫在某些工厂，有些操作人员养成了随意开启吹扫阀的习惯，造成设备旁烟雾缭绕，甚至无法通行，各种不明来路的蒸汽被生生地排放到大气。操作人员可能出于保护设备、防止过热或提高产量、产品一致性，又或许为了提高管线内流体的流动性而打开吹扫阀；可以这么说，每次看见现场有打开的吹扫阀或蒸汽吹漏就是疏水点设置不合理的直观表象，与工艺运行不良也有着千丝万缕的关系。比较常见吹扫阀打开或蒸汽吹漏的场合有换热器（尤其是发生滞流时）、高温物料的伴热管线或夹套管、汽轮机供汽管线等。
工艺换热器系统那些看不见的蒸汽吹漏更危险，比如为确保工艺正常运行开启的旁通，现场不一定马上能发现这些吹漏，但确实每时每刻都在发生，看上去工艺生产是正常了，可是所消耗的蒸汽远远大于实际所需，只有实施了改善方案后才能防微杜渐类似的吹漏现象。
再来看汽轮机进口的吹扫管线，工作人员往往担心水锤会对汽轮机叶片造成损坏，感觉只有把入口处的吹扫阀打开才能避免潜在的水锤破坏；而对于伴热管或夹套管，经常会发现初期为了降低成本所做的不合理安装，最终因夹套内频频积水而付出惨重代价，无奈之下，操作人员只能打开吹扫阀，确保物料的正常流动。
如需为上述所有吹漏蒸汽的案例找出对策，应把调查为何要吹扫蒸汽的原因放在首位，找出更合理、更完善的疏水方案，在降低蒸汽耗量的同时维持甚至提升系统性能，毕竟，吹漏蒸汽是相当浪费的。
顺便说一句，很多工厂的空气系统也因为过度的吹排招致很多不良后果——其原因与蒸汽系统很相似，很多时候是因为疏水设备被系统中的杂质堵塞而停止工作。改进后的空气系统疏水设计会收到显著的增益（图5）。
图5 把宝贵的冷凝水回收、输送回锅炉系统
蒸汽疏水阀管理蒸汽疏水阀能用多久？有人说他们工厂疏水阀故障率为4%，对于一个成熟的工厂，这就意味着疏水阀的平均寿命为25年！大家真的希望一个化工厂里所有的疏水阀，在经受各种环境考验后，能达到平均寿命25年吗？这个说法的背后需要有一种可以量化疏水阀使用寿命的检测方法来支持；一种办法是统计整厂过去某一个连续12个月期间更换的疏水阀总量，把这个数值加到前一次检测的故障疏水阀的变量上，所有的数值都修正到以年为单位；在此基础上，之后一年现场新增加需要更换的故障疏水阀量即为年故障率的预估值。
对于一个尚未积极采取疏水阀年度检测和维修的工厂，出现故障率超过50%（或更高）的状况不足为奇；如果把这个比例只是简单地分成故障开启和故障关闭两种，可以想象，整厂有25%的疏水阀在泄漏蒸汽；即使每台泄漏疏水阀每年泄漏蒸汽按$1,500计算，乘以整厂疏水阀总量再乘以25%，就很容易估算出年损失，也就不难决定是否马上进行纠正。至少有一个疏水阀厂家提供可以清晰地估算出故障疏水阀泄漏量的软件，该软件所提供的数据以投资回报率的形式帮助工厂决定维保的响应速度。某家工厂疏水阀检测系统基本统计数据如表1所示。
根据疏水阀预期使用情况判断是否用“报废”或“未投运”进行标注。如果发现蒸汽处于运行状态而疏水阀处于关闭状态，有可能是之前发现该疏水阀发生泄漏，现场人员关闭了相关阀门（如果疏水阀堵塞，通常不需要对其进行隔离）；如果发现蒸汽停运（可能是工厂停车或防冻用的蒸汽暂时不需用到），此时疏水阀状态就未可知了。对于那些状态未知的疏水阀，通常会以类似工况疏水阀故障率为参考，假定一个数值。
检测分析有助于决定维保响应时间。一旦建立常规检测程序，工厂管理层便可以按照疏水阀泄漏等级设定临界值，确定更换优先级，同时也对更换堵塞疏水阀的投资回报有个大致的估算（表2）；随后，工厂便可以根据疏水阀检测结果的分类制定相应的维保计划。基于此，以表3的结构简单地阐述如何通过“如果/那么”模式，对每个疏水阀位置提供相应的维保计划，具体说明如下：“如果泄漏的疏水阀”“$损失”超过临界值，那么就应该立即更换；反之，则继续使用。”
大家通常非常关注泄漏疏水阀的更换，理由很简单，就像一个挂在低枝头的水果，可以快速获得高额的回报；然而，通过评估整厂疏水阀使用可靠性记录，还能获得额外的收益。在某些工厂，维保和检测的历史记录清晰、准确，从中可以发现，每年检测完成后，疏水阀故障率信息一目了然；当几次检测发现的总故障数值（包括已经维修完成的，和刚检测完尚未进行维修的）累积到整厂疏水阀总量时，等于对全厂疏水阀做了一次“换血”，类似完成一次“库存周转”。这种方法可以用来测量疏水阀的使用寿命，通过这样的分析，工厂就能逐渐使用上性能更可靠、寿命更长的疏水阀了。
不要忽略低温疏水阀前文中提到，基于高回报、高收益考虑，通常工厂会优先考虑更换泄漏的疏水阀，而忽略了低温、堵塞的疏水阀，可往往这些低温疏水阀，正是一些突发灾难性事故的前兆。已经有很多前车之鉴，都是因为低温疏水阀——以及低温冷凝水疏水点——造成关键位置汽轮机停工，或主压缩机故障，从而导致工厂停车好几天；请务必记住，系统的设计者设计疏水点——借助疏水阀进行排放——的初衷是为了维持系统的正常运行和安全。
简而言之，所有低温疏水阀都应该及时维修或更换。如果在某些情况下某个位置实在没有必要安装疏水阀，应该通过正常提交管理变更（MOC）程序，永久取消该疏水点。重要提示：管理变更（MOC）程序进行时应充分考虑取消疏水点可能造成的所有后果，并确保取消该疏水点的决定是绝对安全的。
时代在进步，科技也在进步，工厂必须开展更行之有效的方法来管理疏水阀，当前最佳实践是每年一次或几次对整厂疏水阀使用情况进行回顾或整改（如有必要），为每个冷凝水疏水点配置最有效的疏水装置。至少有一个疏水阀厂家可以提供这样的年检服务，并以“最佳实践”出发为客户提供与时俱进的最佳方案；另外，专业的工程咨询能为改善冷凝水疏水方案提供更多样的方案选择。
图6 高压过热蒸汽管线特殊设计的疏水阀
平衡与审查在当今工厂，良好的冷凝水回收与管理确实是最具战略前景、改善蒸汽系统效率的方法，甚至在很多情况下，定期检查整个蒸汽管网中相关设备的使用情况，还会意外找出改善机会。值得一提的是，蒸汽平衡的目的不仅是追踪蒸汽流本身的使用情况，还有助于发现新的负载不平衡工况进行再平衡，减少低压蒸汽排空。
例如，蒸汽平衡的首要目标是为排空/废气寻找可用之处，其中一个用途可以是预热周边某些流体；另一个例子，结合疏水阀泵的技术，以低压蒸汽替代原先的中压蒸汽用于换热器，这种疏水阀泵的“动力疏水“模式可以在低压工况下防止冷凝水在换热器中积存，增加产量及设备稳定性。
在蒸汽平衡的某些应用中，首要和次要（最高和次高）蒸汽压力的分级评定可用来确认昂贵的“消失的蒸汽”——往往是可以回收利用的主要部分。在过去很多实例中，这部分消失的蒸汽往往是由于高压疏水阀泄漏导致的——这种情况下，首选进行更换或维修的投资回报评估马上就可以得出（图7）。
图7 压缩空气系统管道中带有杂质时冷凝水的排放
了解详细的关于如何建立和维持蒸汽平衡的信息，请参考“蒸汽平衡创造效益，CE 2004七月 36-41页。”
与之相关，对厂内所有冷凝水做一次审查，过去，矫正浪费的冷凝水源头的方案看上去不是那么经济，而如今，随着能源成本的不断攀升，这部分损失的规模正在不断扩大；每次能源涨价，特指燃料油当量（FOES），从投资回报角度，重新评估挖掘每个潜在冷凝水收集点，安装冷凝水回收系统的需求再次被提上议事日程。
资金或经费预算？现在工厂普遍遭遇的尴尬是：节能小组挖掘了可以节能的机会，可是缺乏足够的资金支持；偶尔碰到有资金下发，又往往去到维修预算——还有其它种种限制，最终导致实际落实的资金寥寥无几。
现在有一种比较流行的做法是，分阶段设立节能改造专项基金，同时，严格遵守只有在某一阶段达到预期收益后才能申请以后预算的制度。这种“阶段性门槛”设置可以为整厂系统改善提供必要的资金支持。
公司财务部门审核评估节能改造项目和其它项目时，可以以投资回报为标准，选其投资回报最高的项目审核通过。某些蒸汽系统改善项目可以满足资金投资要求，并在降低运行成本的基础上提升工厂效益。倍受关注的商务/节能顾问公司或持有“认证节能经理”（C.E.M）证书的个人可以从财务角度协助客户分析特定节能项目的可行性。
感想一个经营良好的工厂会将一切投入的资源都计入其运行成本，有些资源成本，比如劳工成本，不会随着时间的变化发生很大的改变；而有些资源成本，比如能源或蒸汽，是与FOE（燃料油当量）成本紧密挂钩的。对于绝大多数工厂来说，与其大费周章寻求更经济的燃油或能源，还不如专注于改善蒸汽系统的质量为企业获利来得简单而快捷。
深圳市罗氏名特工业技术有限公司
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