蒸汽换热器运能不足还是运能过剩

本文阐述了蒸汽疏水阀对于避免安全事故及不良生产有着极其关键的作用——工厂应就蒸汽系统管理引起足够的重视

作者: James R. Risko

出版商: Chemical Engineering, November 2004, p. 58-62.

此文章由TLV Shanghai翻译，以释义英语原文

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对于工艺和维保工程师而言，全面理解负载变化的工况下，带压力调节、设计运能放大的换热器中蒸汽压力动态变化是一个非常大的挑战，偏偏这种挑战又无处不在，因为在加热工艺链中，蒸汽间接加热的工况比比皆是。这种工况下的换热器也称为的工艺加热器。

滞流表就是用于在给定的蒸汽加热工况系统背压下，比较换热器在不同调节比时的蒸汽压力。对滞流表进行一定的了解是非常有必要的，可以通过不同途径获得此表【1】。然而，标准的滞流表是假设蒸汽加热器设计不存在换热面积余量的情况，但实际往往并不是这样；考虑到设备积垢和产能，换热器的换热面积设计通常都会考虑一定的余量。

另一种行之有效的办法是使用扩充的滞流表（ESC），这种方法使用便捷，适用于设计换热面积余量的设备。

滞流表的使用

采用入口蒸汽控制模式的换热器，一旦发生负载变化，蒸汽压力也会随之发生变化。举个例子，如图1中所示的换热设备（工艺设备）系统，供汽压力（P1）相对能稳定在150psig，但是控制阀后供应换热设备的压力（P2）的变化范围很大，这将导致冷凝水排放系统主设备（CDS）的入口压力（P3）会发生相应的变化（简便起见，假定通过换热器后没有压损，即P3=P2）。

图1 如果冷凝水排放系统主设备（CDS）的入口压力（P3）跌至小于背压（PB），CDS前后出现负压差，“滞流”现象就会发生。

如果压力P3降至低于背压（PB）时，在CDS两端就会产生负压差；这种情况下，普通的疏水阀无法排除冷凝水，冷凝水逐渐在换热器内积存，从而造成所谓的“滞流”现象。

在制作滞流表前，我们首先应了解，即使在满负载、控制阀全开的工况下，P2的最大值为控制阀前端压力P1减去蒸汽流经控制阀的压降。举个例子，假如供汽压力P1为150psig，蒸汽流经控制阀的压降是25psi，供汽管道的压损是10psi，那换热器的供汽压力（P2）最大为115psig。

因此，在滞流表中，100%负载工况的压力和温度应填写P2=115psig及相对应的温度，而不是P1=150psig。图2滞流表中标注了P2=115psig。

图2 如文中所述，滞流点位于65%设备负载时

其次，我们需了解负载的波动对于供汽压力、温度的影响；控制系统将根据负载的波动自动调节蒸汽压力和温度以平衡负载所需热量。当负载需求下降时，蒸汽压力同时也会下降——随着负载的下降，所需的加热量也随之下降，蒸汽压力也就随之下降。

从以下的换热公式可以得出：

其中UA即所谓的特征系数（传热系数和换热面积），LMTD是换热器的对数平均温差,产品的UA是相对固定不变的，所以负载下降时所需蒸汽温度也随之下降。

此例中，假设背压（PB）是20psig（绿色实线），产品温度需从50˚F（T1）升至150 ˚F（T2）。工艺流体的名义温度Tm= 100 ° F，把名义温度标注在右侧的纵坐标上（注意，Tm和T2的数值在左侧纵坐标上显示，但标注在右侧纵坐标）。

控制阀的调整动作会影响进入换热器的蒸汽压力，蒸汽压力与负载百分比的对应关系如图2滞流表中红色实线表示，即P2（其实是对应的温度值）和TM的连接线。

如图例所示，滞流点（S）即红色和绿色实线的交点，也就是65%负载处；橙色垂直的虚线表示滞流警戒线。

在同一个滞流表中，还可以把当产品温度上升，所需负载变化用如图深蓝色连接T1和T2的实线来表示。水平轴线最左侧下方代表设备全面积换热，即产品负载需求100%。

总而言之，标准的滞流表将三大要素同时呈现在一张表格中，它们分别是：

• 产品需求负载，蓝色实线所示，通常起始于需求区间的左边低位
• 结合蒸汽供应和设备换热面的热量供应，红色实线所示，始于供应区间左边高位
• 回收系统的背压，绿色实线所示，通常在供应区间

这样的滞流表相对简单，假设换热设备换热面积正好能满足产品加热所需热量的最大值。【在这种情况下，MCp(T2 – T1) = Q = (UA)(LMTD)，其中M指产品流量，Cp指恒定压力下的换热能力，不考虑换热设备换热面积的设计余量】当然这种理想化状态在实际操作中几乎不可能存在，供应的热量乘以换热面积正好等于100%需求，之前提到的图2滞流表三个要素将同时坐落到对应100%负载的纵坐标上。

扩充滞流表

考虑到设备积垢和产能，换热器的换热面积设计通常都会考虑一定的余量，之前讨论的滞流表没有考虑换热面积余量，因此，需要一种新的滞流表形式，一个包含设计余量的象限区域应运而生。

图3 扩充滞流表（ESC）是在标准滞流表的左上方额外增加一个等比例象限，标注设计余量百分比。新的象限起始于背压线PB，如图所示；换热面积满足100%加热需求时，设计余量为0，图中供应象限区左侧垂直轴线的蓝色虚线表示。

这个新的扩充滞流表（ESC）完善了对冷凝水排放系统主设备适用压差的估算。现在我们将图2中的数据输入到图3的扩充滞流表来进行演示；供应象限区左侧垂直轴线的蓝色虚线表示换热面积满足100%加热需求，无设计余量，由此，图2、图3得出的结果看上去没什么不同。

然而，ESC可以预测非常有价值的信息。我们从右侧需求象限纵轴上找到TM，通过TM向左上方穿过PB线（背压线）与供应象限左侧纵轴线的交点画一条延伸线，最后在设计余量象限中与P2的延长线相交，得出如图4所示的红色虚线（满负载滞流线）。

图4 从右侧需求象限纵轴上找到TM，通过TM向左上方穿过PB线（背压线）与供应象限左侧纵轴线的交点画一条延伸线，最后在设计余量象限中与P2的延长线相交。

红色虚线和背压在100%负载上的交点给我们提供了一个有用的信息，它表明当不满足压力要求或达到此换热面积余量时，换热设备将始终处于滞流状态。图4中，换热面积设计余量条件下，即使在100%负载需求（或控制阀全开）情况下，换热设备仍处于滞流状态，这条红色虚线也称之为满负载滞流线（FLS）。通过这条虚线在设计余量象限中的延伸线和P2延伸线的交点来看，如图例所示，满负载滞流发生在55%换热面积余量的情况下；在设计余量象限中，以垂直的黄色警示虚线表示。

所以，ESC也可以帮助工程师在设计换热器时，判断多少换热面积余量会产生FLS；而且，ESC可以比以前所用的标准滞流表更准确的预测实际的滞流点。

举例来说，假设前面例子中提到的换热设备其换热面积余量为40%，换热设备的运能可以很快地在设计余量象限中画出（如图5所示，蓝色垂直虚线）。虽然换热设备换热面积增加了余量，但负载需求量不变，故，负载需求线（深蓝色实线）没有变化，但热量供应线（红色实线）应延伸到40%设计余量垂线上。

图5 当考虑换热面积设计余量时，能得出更准确的滞流点，图示滞流点为90%的满负载工况

这对设计的影响很大，如果按照图2、图3进行设计，滞流点位于65%的满负载工况；当考虑换热面积设计余量时，能得出更准确的滞流点，即90%的满负载工况。这些对于工程师准确设计、合理选择CDS系统起到至关重要的作用。借助ESC，可以精确定位特定设备滞流可能性，提升工艺控制，消除水锤和设备其它问题。

结论

对有控制模式的换热设备，冷凝水排放系统选型（诸如疏水阀，疏水阀泵，液位罐控制系统），必须考虑换热面积设计余量。设计时考虑换热面积设计余量的换热设备运能不足，蒸汽压力降低，滞流点发生在比预期负载比例更高的位置。

工程师可以通过扩充滞流表更准确地预测出滞流点，设计出最佳的冷凝水排放方案。简而言之，在正压差时选用疏水阀或液位罐控制系统，或者在负压差时选用疏水阀泵，设备的换热和控制性能都会得到优化。

参考：

Risko, James R., “Steam heaters need complete condensate drainage,” Chem. Eng., pp. 114–119, July, 1996.