工業換熱設備節能降耗技術研究

孟亞惠，馬曉飛

(甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，國家節能換熱換熱設備質檢中心，甘肅 蘭州 730050)

工業換熱設備作為能量系統中使用最廣泛的單元設備之一，中國在用工業換熱設備將近60萬臺，其中石油、化工、冶金、電力四大行業在用換熱設備就達20 萬臺左右，年回收熱量(主要是二次能源)折合標準煤約5.7 億t，但長期以來工業換熱設備的節能是高耗能特種設備節能工作中的一塊“硬骨頭”，節能監管工作并未取得有效發展。工業換熱設備運行的高效性、合理性和可靠性直接影響產品的質量、數量和經濟成本以及能源的消耗量。

近十幾年來，鍋爐能效評價方面出臺了GB/T10184-2015 《電站鍋爐性能試驗規程》、GB/T10180-2003 《工業鍋爐熱工性能試驗規程》、TSG G00 03-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》、TSG G0002-2010《鍋爐節能技術監督管理規程》等相關標準。然而，同樣屬于高耗能特種設備的換熱壓力容器能效評價標準僅有《TSGR0010-2019 熱交換器能效測試與評價規則》，且僅針對為板式熱交換器。為了加強對高耗能工業換熱設備的管理，規范工業換熱設備的設計、制造和使用管理工作，全面提高工業換熱設備的能效水平，滿足《特種設備安全法》和《高耗能特種設備節能監督管理辦法（國家質量監督檢驗檢疫總局令第116 號）》關于“節能環保”的工作原則，研究工業換熱設備節能降耗技術就顯得尤為重要。

1 能效評價指標

熱交換器能效評價指標眾多，其中大多數指標以熱交換器的熱工性能為基礎，只有少數指標考慮熱交換器的經濟性能。從熱力學角度出發，可分為熱力學第一定律的評價指標、熱力學第二定律的評價指標和熱經濟學評價指標三類，見表1。

其中，張延豐等人[1]提出了一種能效評價指標EEI(=k/△pn,總傳熱系數k 與壓力梯度△p)，該指標反映了熱交換器的固有能效屬性，代表熱交換器消耗單位折合流動壓降獲得的傳熱系數。當溫差與流體流量相同時，對于相同換熱面積和相同流體流動長度的熱交換器而言，能效指標EEI 越大，消耗單位折合泵功獲得的熱流量越大。通過大量實驗數據得到了我國板式熱交換器能效指標k/△p0.31與總體能效分布f(x)=N(191.2,22.12)，據此可對我國板式熱交換器進行定量能效評價與能效水平劃分。該方法已被納入NB/T 47004.1-2017《板式熱交換器第1 部分：可拆卸板式熱交換器》和TSG R0010-2019《熱交換器能效測試與評價規則》，為劃分板式熱交換器能效水平提供了依據。

2 設計與選型節能

2.1 設計節能

工業換熱設備的設計應充分考慮節能降耗原則：（1）充分考慮換熱設備的經濟性，合理選材，合理確定結構尺寸；（2）優化設計，提高換熱效率，滿足能效要求；（3）對有保溫或者保冷要求的換熱設備，要在設計文件中提出有效的保溫或者保冷措施；（4）同時滿足換熱設備允許壓力降和傳熱系數的要求；（5）換熱設備在設計上盡量選用高效傳熱元件來強化傳熱；（6）設計時，宜采用以減小流體流動阻力、減少傳熱死區、減少管子的誘導震動，強化熱交換器換熱能力，提高換熱設備使用壽命。

表1 不同性能指標對比[2]

2.2 選型節能

所選擇的換熱設備應滿足以下特點：具有較高的傳熱系數、較低的壓力降、重量輕且能承受操作壓力、有可靠的使用壽命、產品質量好、操作安全可靠、所使用的材料與過程流體相容；設計計算方便、制造簡單、安裝容易、易于維護和維修。

基本的選擇標準如下：（1）換熱設備需要能夠抗工作環境和介質腐蝕，并且具有合理的抗結垢性能；（2）換熱設備容易清理，對于易腐蝕、強振動等破壞的元件應便于更換；（3）換熱設備應具有經濟性，選用時應綜合考慮熱交換器的設計成本、制造成本、安裝費用、維護費用等，應使換熱設備盡可能地經濟。

換熱設備的選型應考慮下列因素：（1）合理選擇型式及基本參數，滿足傳熱、安全可靠性及能效要求；（2）考慮經濟性，合理選材；（3）滿足熱交換器安裝、操作、維修等要求。

3 制造與安裝節能

3.1 制造節能

（1）屬于高耗能特種設備的熱交換器應進行產品能效測試（適用于批量制造的熱交換器），同型號的只進行一次定型產品能效測試；

（2）能效測試符合相關要求時，熱交換器監督檢驗機構出具合格的監督檢驗報告，合格的定型產品能效測試報告作為熱交換器出廠的資料。

3.2 安裝節能

（1）工業換熱設備安裝時，應按照相應安全技術規范、標準或者出廠文件的要求配備、安裝輔機設備和能效監控裝置、能源計量器具等；

（2）工業換熱設備的安裝、改造、維修，不得降低產品及其系統的原有能效指標；

（3）工業換熱設備及其附屬設備和熱力管道的保溫應符合GB151 的要求；

(4) 新安裝工業換熱設備的輔機應選用符合最新國家標準或行業標準要求的高效節能產品。

4 改造節能

工業換熱設備的節能改造應執行相關法律、法規、標準、規范的要求，其附屬設備和熱力管道的保溫應符合GB/T 4272 的要求，應采用蓄熱式、預熱式、余熱節能器、污水回收和冷凝水回收利用等技術提高節能效果。

5 管理節能

工業換熱設備使用單位應借助現場測試得到熱交換器的污垢熱阻，根據熱交換器的結垢情況進行清洗以維持熱交換器的換熱性能。

5.1 經濟運行

1）使用單位應定期維護能效監控裝置、能源計量器具，并記錄相關經濟運行數據；

2）使用單位應當建立健全經濟運行、能效計量監控與統計、能效考核等節能監管制度和崗位責任制度；

3）使用單位應當開展節能教育和培訓，不斷提高作業人員的節能意識和操作水平，確保熱交換器安全、經濟運行；

4）使用單位應定期檢查換熱設備及管道附件的絕熱層是否完好，如發現有破損、脫落等情況，應及時進行維護，必要時委托第三方檢測機構對換熱設備的保溫效果進行測試評價；

5）非工藝要求，如果換熱設備保溫表面溫度超過50℃或保冷表明出現冷凝水時，使用單位應委托第三方檢測機構對換熱設備的保溫保冷效果進行測試評價，并根據測試評價結果進行整改；

6）應監視換熱設備的振動和噪音，防止流體誘發振動引起的失效；

7）對涂敷防腐層的換熱設備，在操作運行或吹掃時，應嚴格控制溫度，防止防腐涂層損壞失效。

5.2 介質流向節能

1）蒸發或汽化的流體和冷凝液化的流體，宜走殼程，水蒸汽及熱載體宜走管程，以提高傳熱效率和減少壓力損失；

2）易結垢的流體、高溫介質宜走管程，但易結垢的流體應避免走U 型管；有沉淀物或夾雜物的介質、大流量的氣體宜走殼程；

3）具有腐蝕的流體宜走管程。如果是具有腐蝕性的流體走殼程，則殼程必須使用耐腐蝕材料制造；若腐蝕性流體走管程時，則管程要采用耐腐蝕材料。

5.3 維護節能

1）工業換熱設備宜在工藝設計文件規定的負荷下運行，運行期間應監測、記錄換熱設備的運行參數，評定換熱設備的工藝性能和結垢程度；

2）當傳熱與阻力降偏離設計值過大，或不能滿足工藝系統要求時，使用單位應根據介質特性和換熱設備的結構，選擇有效的方法進行清洗污垢，恢復換熱設備的工藝性能；

3）使用單位發現換熱設備傳熱效果不良時，應自行或委托第三方現場測試得到換熱設備的污垢熱阻，根據換熱設備的結垢情況進行清洗以維持換熱設備的換熱性能。

6 節能降耗技術方面存在的問題

1）節能降耗技術尚在起步階段。由于歷史原因，我國對高耗能特種設備能效的監管逐漸弱化，甚至取消。沒有建立有效的市場準入與退出機制，更無法對高耗能特種設備實施設計、制造、安裝、維修、改造、使用、檢驗檢測全過程的節能監管。在大力提倡節能減排的歷史背景下，重新修訂的《節約能源法》和《特種設備安全監察條例》明確要求對高耗能特種設備實行節能監管。高耗能特種設備節能監管體系的建立剛剛起步，必須加快推進，才能促進節能降耗技術的發展；

2）節能法規標準不完善。目前高耗能特種設備節能法規標準體系建設尚處于起步階段。工業換熱設備現有標準側重安全性能，無節能技術規范；

3）企業節能意識不強。由于我國能源價格偏低，能源消費成本占生產總成本的比重較小，作為節能主體的壓力容器生產和使用企業普遍缺乏節能動力，對節能重要性缺乏足夠的認識，節能優先的方針沒有落到實處。設計、制造、使用單位節能意識亟待提高，節能方面投入嚴重不足；

4）節能服務機構培育發展不足。特種設備節能服務市場尚未形成，對節能服務機構鼓勵培育不夠，促進節能服務機構發展的政策體系不完善，社會和使用單位對節能服務認識不足，現有節能服務機構起點低、底子薄、能力弱，節能服務領域和范圍還比較窄，難以滿足市場對特種設備節能咨詢、設計、評估、檢測、審計、認證等服務的需要；

5）節能監管技術支撐條件不足。工業換熱設備節能必須依靠技術進步，需要技術機構的技術支撐。但目前檢驗檢測機構的人員技術素質、設備條件等難以完全適應節能技術推廣工作的開展，制約了高耗能特種設備節能技術工作的推進。