蒸汽冷凝水自動回收系統的研究

郭盼春 金華 劉軍 劉志威

摘 要：在化工生產過程中，蒸汽冷凝水回收是重要的節能技術之一，重點介紹了蒸汽冷凝水自動回收系統的工作原理、系統構成及其控制方法。該系統配置簡單、操作方便、運行穩定，采用壓縮氣體代替常規的動力設備作為動力源輸送冷凝水，解決了動力設備氣蝕和管道腐蝕的問題。

關鍵詞：蒸汽冷凝水;回收;自動控制

蒸汽作為一種能源在各行各業中被廣泛應用，如在發電、石油、化工、印染、造紙、輕紡、釀造、橡膠、制陶等工業領域。蒸汽多用作熱源，通常用氣設備僅利用蒸汽的潛熱和少量的顯熱[1]。潛熱和少量顯熱的蒸汽還原成高溫的冷凝水，而冷凝水所具有的熱量占蒸汽總熱量的20%～30%，且冷凝水的壓力、溫度越高，所具有的熱量也就越多，將這部分熱量回收利用可獲得很大的節能效益。

目前，國內外主要采用兩種蒸汽冷凝水回收裝置，即開放式冷凝水回收裝置和密閉式冷凝水回收裝置。開放式冷凝水回收裝置是把蒸汽冷凝水通過管道集中回收到閃蒸槽或一個敞口的地下槽中，大量的二次蒸汽排空，冷凝水降溫后用泵輸入軟水箱，作為制純水或鍋爐補給水，回收水溫低于100 ℃，水泵易產生氣蝕，冷凝水回收能效低[2]。這種系統的優點是設備簡單、操作方便、初始投資少，但是系統占地面積大，所得的經濟效益差，對環境的污染較大，且由于冷凝水直接與大氣接觸，冷凝水中的溶氧濃度增加，易造成管道腐蝕。密閉式冷凝水回收裝置即通過密閉式疏水器和管道，將冷凝水收集到密閉水罐中，再通過氣水分離器，將二次蒸汽與飽和冷凝水分離，使其在密閉的水罐內保持一定的空間，與冷凝水保持相對穩定狀態，然后利用水泵將冷凝水輸出[2-3]。密閉式冷凝水回收裝置因克服了開放式冷凝水回收裝置與大氣接觸的缺陷，避免了冷凝水輸送過程中的氧腐蝕，并得到了廣泛應用。但該裝置能耗大且初始投資高。

在一般的蒸汽冷凝水回收裝置中，在輸送飽和狀態的冷凝水時，采用的離心泵易產生氣蝕，損壞泵的葉輪無法正常工作。當水溫超過80 ℃時，就要在離心泵的入口處增加正壓頭或將水箱架高以防氣蝕[4]，但由于水箱高架，冷凝水需爬高，回水不暢，且安裝、維修、運行不便。考慮到寒冷地區的特點及現有技術存在的不足，新疆天智辰業化工有限公司開發出一套無需動力設備、自動化程度高、配置簡單、操作方便的冷凝水回收裝置，本研究簡要介紹了該裝置的工作原理、主要特點等情況。

1?蒸汽冷凝水自動回收系統的工作流程及原理

外界的蒸汽冷凝水先進入冷凝水收集罐，其中產生的二次蒸汽進入不凝氣冷卻器，通過空氣冷凝后流回冷凝水收集罐，換熱后的空氣則由排氣口排至大氣中;冷凝水收集罐中的冷凝水通過液位差產生的勢能，經止逆閥Ⅰ流入冷凝水輸送罐中;當高液位開關檢測到冷凝水輸送罐液位到達高位時，發送信號至控制箱，控制閥Ⅰ打開，控制閥Ⅱ關閉，在壓縮氣體的加壓下，冷凝水經止逆閥Ⅱ從冷凝水輸送罐排出;當低液位開關檢測到冷凝水輸送罐液位到達低位時，發送信號至控制箱，控制閥Ⅰ關閉，控制閥Ⅱ打開，冷凝水輸送罐中少量不凝氣經控制閥Ⅱ送至不凝氣冷卻器，利用空氣冷凝后，又流回冷凝水收集罐;冷凝水收集罐中的蒸汽冷凝水通過液位差產生的勢能，經止逆閥Ⅰ流入冷凝水輸送罐進行下一輪循環。工作流程如圖1所示。

2?蒸汽冷凝水自動回收系統的構成

蒸汽冷凝水自動回收系統包括依次連接的不凝氣冷卻器、冷凝水收集罐、止逆閥Ⅰ、冷凝水輸送罐、止逆閥Ⅱ、低液位開關、高液位開關、控制閥Ⅰ、控制閥Ⅱ和控制箱。

在蒸汽冷凝水自動回收系統中，不凝氣冷卻器、冷凝水收集罐、冷凝水輸送罐按上述順序從高到低安裝。不凝氣冷卻器中的換熱管采用豎向分布，利用空氣對換熱管中的二次蒸汽進行冷凝。冷凝水收集罐呈筒狀水平放置，可根據冷凝水的去向和用途并連多個冷凝水輸送罐。冷凝水是在壓縮氣體加壓的作用下從冷凝水輸送罐送出，壓縮氣體需選用不溶或難溶于蒸汽冷凝水的氣體，且壓力大于冷凝水輸送罐中冷凝水的壓力。

3 蒸汽冷凝水自動回收系統的控制方法

蒸汽冷凝水自動回收系統無需使用離心泵等動力設備，整個輸送過程可實現自動控制。通常，自動控制可通過DCS、PLC、單片機等方法實現。本研究所述的蒸汽冷凝水自動回收系統，采用繼電器分別對控制閥進行開啟和關閉的自動控制，繼電器成本低且維護方便。

以下是該系統自動回收蒸汽冷凝水的步驟。

（1）冷凝水收集罐積液。冷凝水通過管道，從用氣設備輸送至冷凝水收集罐。

（2）冷凝水輸送罐進液。冷凝水收集罐的液位達到一定高度時，冷凝水通過液位差產生的勢能流入冷凝水輸送罐。

（3）冷凝水輸送罐排液。當冷凝水輸送罐的液位達到高位時，高液位開關上限信號SH閉合，繼電器K1通電，觸點S1閉合實現自鎖，S2閉合使繼電器K2通電，S3閉合，S4斷開，控制閥V1打開，V2關閉。在壓縮氣體加壓的作用下，冷凝水從冷凝水輸送罐中排出，流向用水單位。

（4）冷凝水輸送罐進液。當冷凝水輸送罐的液位到達低位時，低液位開關上限信號SL斷開，繼電器K1、K2失電，觸點S3斷開，S4閉合，控制閥V1關閉，V2打開，冷凝水輸送罐中少量的不凝氣經控制閥V2送至不凝氣冷卻器，利用空氣冷卻后，又流回冷凝水收集罐，冷凝水收集罐內的冷凝水在重力的作用下進入冷凝水輸送罐，進行下一輪循環。

蒸汽冷凝水自動回收系統的控制過程如圖2所示。

4?蒸汽冷凝水自動回收系統的優點

（1）本研究所述的蒸汽冷凝水自動回收系統中，不凝氣冷卻器采用空氣冷凝，換熱管豎向分布，無積液死角，冬天不會出現凍管問題。

（2）蒸汽冷凝水自動回收系統采用壓縮氣體作為動力源輸送冷凝水，不需要考慮水溫及氣蝕的問題，同時對輸送管道起到保護作用，不會產生腐蝕和二次污染的問題。

（3）蒸汽冷凝水自動回收系統通過液位開關自動檢測冷凝水輸送罐液位，自動進液和排液，避免了空罐或滿罐產生的安全隱患。

（4）蒸汽冷凝水自動回收系統無需動力設備，配置簡單、操作方便、自動化程度高、無需值守，不僅降低了勞動強度，而且減少了生產成本。

5?結語

蒸汽冷凝水自動回收系統解決了目前常用的冷凝水回收裝置動力設備易產生氣蝕的問題，有效防止管道腐蝕。該系統已于2017年在新疆天智辰業化工有限公司成功應用，運行至今未進行過大修。截至目前，該公司已分別在氣化、空分、公用工程、鍋爐等工段建成了8套蒸汽冷凝水回收裝置。實踐證明，蒸汽冷凝水自動回收系統設計合理、安全可靠，具有廣闊的市場發展前景。

[參考文獻]

[1]杜玉輝.工業鍋爐冷凝水余熱利用與回收一體化裝置[D].廣州：華南理工大學，2011.

[2]張利波，王國安，王鷹.應用自動控制充分使用蒸汽冷凝水資源節能降耗[J].赤峰學院學報（自然科學版），2009，25（6）：41-42.

[3]王友金.閉式冷凝水回收工藝的應用[J].山東化工，2015，44（17）：107-109.

[4]顧家海，顧秀芬.蒸汽管網閉式回收裝置工作原理及應用[J].應用能源技術，2005（5）：29-31.