畅通无阻的能量流


作者:Jörg Sager,本文作者供职于德国TÜV Süd公司。 日期:2016/10/27 来源:PROCESS《流程工业》

冷却水太少,蒸汽太多——若实施既定的规划设计方案则会继续导致这样的恶果。企业要求对现有粉体产品生产线中的烘干段加以扩建,提高生产能力,完成每小时60 t悬浮粉末物质的干燥。这是一个需要大量热能、蒸汽和冷却水而且消耗大量能源的生产过程。通过热能回收利用,未来可减少这一生产工序对能源的需求。干燥设备的升级改造方案一方面需要降低能源需求,另一方面需要减少热能回收的成本。

在烘干过程中,悬浮的粉质颗粒物首先在一个蒸发器和一个循环蒸发器中蒸发掉水分而浓缩。随后,对浓缩后的悬浮液进行冷却。通过冷却,悬浮液中的粉质颗粒物开始结晶并沉淀下来。

为了能够把结晶颗粒与液体介质分离开,就需要多个倾析工艺过程。最后,对倾析得到的初级产品进行清洗,在150℃的流化床中烘干。在后续的精整工序中,通过多道研磨和分离过程获得最终的成品。这一生产过程中的粉质产品利用压缩空气进行输送。

由于这一技术改造项目的复杂程度较高,企业决定采用“双保险”的方式保证规划设计的准确性和可靠性。首先,委托设备生产企业制定一套总体方案。然后由TÜV Süd公司对整体方案进行审核,鉴定设备生产企业规划设计的设备配置能否真正保证最佳的能量流,并实现预期的效率目标。因为只有实现各个工艺过程、工序和工艺步骤之间的最佳匹配,才能得到预期的节能效果。一旦总体方案设计不周,则会导致生产设备效率不高,运行经济性差,甚至导致事故频发,故障不断。

为了保证所设计的方案有着最佳的效率并顺利运行,需要详细的审核和分析所需的能量流到底是多少?如何传递这些能源?这就是热动力学分析的目的。

多步骤分析

首先,工作人员要收集一台设备对热能、制冷和压缩空气等所有的总能源需求量,不仅要统计该设备平均负荷时的总能源需求量,而且也包括这一设备在峰值负载工况下的总能源需求量。然后检验设备的各个部件的规格型号是否合理,例如锅炉、热交换器、泵和管道与这一能量流是否匹配。在粉质生产线这一具体的设备技改方案中,两台蒸汽喷射压缩机是其核心设备,首先要对它们的能量流是否平衡进行计算和审核。此时,专家们首先利用蒸汽压力曲线根据蒸发器中悬浮物的温度,以及蒸汽冷凝器中冷却水和蒸汽的温度为基础,确定了蒸发和冷凝时的压力。然后为整套烘干设备建立了一个数学模型。TÜV Süd公司的能源专家可以调整和设置不同的烘干设备数学模型的初始参数,完成不同设备变型的能量流模拟。在各种不同变型模拟之后,对不同模拟结果的能源平衡情况和它们的成本费用进行比较,从而得出哪一种配置能够实现最佳的能源和经济效益。

能量流的分析能够把一些隐藏的规划设计错误揭示出来,包括计算有误的工艺用蒸汽,废蒸汽和冷却水的能量流。例如,分析后发现设计的冷却水量过低,实际需求量经分析测算竟然是设计量的10倍。

过高的蒸汽需求量

若执行了原设计方案将出现冷却水温度过高,从而导致很高的冷凝水温度和压力。可用的蒸汽膨胀率会降低,蒸汽的需求量也会增加,这导致了冷却水的温度进一步提高。热动力学平衡计算分析表明,原设计中冷却水用量过低主要由于蒸汽设备设计时选用的能源需求量过高。设计师按照每小时3 t的恒定蒸汽需求量进行设计。这一数据比热动力学平衡计算得出的数据高出了约30%。

出现设计偏差的原因是设计师在考虑热量需求时有误。当设备首次启动时,悬浮液进入蒸发设备前需要预热,此时所需要的热量较高,但设备连续工作时则不再需要如此高的恒定热量。在连续工作时,通过内部的热能传递,在悬浮液进入第一级蒸发器时就已经达到了60℃的理论温度。在蒸发器中又会进一步将悬浮液加热到71℃,达到了进入第二级蒸汽喷射所需的理论温度。与原设计的假设相反,能源需求量并不是恒定不变的,有些只是临时性的需求量。出于这一原因,专家经核算后将真实的蒸汽需求量减少到了每小时2.1 t。根据热动力学平衡计算的结果,设计了一套替代方案,用一台机械式压缩机替代原设计中的两台蒸汽喷射压缩机,保证了装置高效和可靠地工作运行。

必不可少的平衡计算

按照设备厂家提供的设计规划将导致冷却水过少,废蒸汽过多,蒸汽需求量过少。无法保障烘干设备的顺利工作和运行。这一实例表明,在新建热力学设备时,或者在老式热力学设备的技术改造时,需要认真仔细地进行热动力学平衡计算。利用热动力学平衡计算和分析,能够及早发现设计方案中的缺陷和不足,及时加以纠正。从而避免出现设备故障和设备配置改造。


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能源需求平衡计算的四个步骤

1.为了能够进行热动力学平衡计算和分析,首先要了解设备全部的能源需求。能源平衡核算的基础资料不仅是正常工作情况下和平均负载工况时的能源需求,而且也包括峰值负载工况下的能源需求。这里的能源包括不同形式的能源,例如:电力能源、热能和冷能,也包括压缩空气和余热,它们都要一项项的单独汇总起来。

2.然后是机械审核,包括设备的各个部件和组成,例如锅炉、热交换器、泵、压缩机和蓄能器也包括设备所有的管道是否与这些能源需求保持一致,规格尺寸是否正确,是否正确的集成到对应的能源系统之中。

3.确定设备应如何正常的工作运行,过程控制系统采用的是何种控制机制。

4.根据这些数据和技术结果,应能导出设备的故障、性能、效率损失和失效的评判标准。

若各种能量来源做不到与设备的最佳匹配,将导致设备在工作运行时出现故障。但这里所述的故障并非全部都会导致设备停机。许多情况下,它们表现为设备没有在理想的状态下运行——低效和不经济。