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蒸汽管网系统节能与环保现状及发展潜力研究
一、 蒸汽管网系统的构成与应用
蒸汽，是工业生产和人民生活中普遍采用的一种量大面广、具有显著特点的载热介质。它来源充足、价格相对低廉、无毒、无污染、不爆燃而且热容量大。由于这些显著特点，蒸汽广泛应用于诸多生产工艺和过程。如，化工与制药行业大量应用的“汽化溶剂，浓缩溶液，析出溶质”的蒸发工艺；分离液态均质混合物不同组分的蒸馏工艺；纺织、烟草、木材与造纸行业普遍采用的去除固体物料或制品水份的干燥工艺；石化与采油行业中大量使用的升温与保温工艺；改变材质与物料性能的煮沸和煮炼工艺；印染行业中的冲洗工艺；电力行业中的蒸汽发电；以及量大面广的加热与制冷工艺等等。
蒸汽管网系统，作为蒸汽的主要载体，主要是指连接蒸汽产生装置与蒸汽使用设备的，用于蒸汽的输送、分配、使用与回收的管路网络与其中采用的各种设备与元件的总称，主要包括以下三个主要部分：
l 蒸汽的输送与分配设备；
l 用热设备；
l 凝结水回收设备。
蒸汽网络系统是整个蒸汽供热系统的重要组成部分，也是直接影响蒸汽品质以及系统热能利用效率的重要环节。
由于蒸汽的显著特点及其在生产工艺过程中大量应用，作为蒸汽主要载体的蒸汽管网系统背广泛应用于石油化工、制药、化学、冶金、食品。轻功、造纸、纺织、印染、电力、建材、建筑以及军工等国民经济的诸多产业。
典型的蒸汽管网系统一般主要包括蒸汽输送管路、疏水器、各种连接元件、调节流量、温度、压力等参数的各种阀门、用热设备、水汽分离器、凝结水回收管路以及凝结水回收泵等主要部分。
二、 蒸汽管网系统的现状
截止目前，我国在用工业锅炉总量约为60万台，总蒸吨数为190.61万吨（注2）。其中，蒸汽锅炉45万台左右，约为120晚蒸吨。目前，我国蒸汽供热系统（不包括热电站0的燃眉总量约为4亿吨标准煤，占全国燃煤总量的三分之一左右。而其整个系统的热能利用效率只有30％左右，仅为国际先进水平的一半，由此而浪费的煤资源一年高达1.6亿吨标准煤，相当于全年蒸汽供热系统总能耗的40%左右。
目前，我国蒸汽管网主要存在以下几个方面的问题：
1、蒸汽严重浪费
我国蒸汽管网上使用的疏水阀30％处于严重漏汽状态，总量为75.71万只，60％处于超标准漏汽状态，总量为151.42万只（注3），再加上许多该装疏水阀而未装的泄漏。但不放泄漏的蒸汽总计每年约为1.0亿吨，约合1400万吨标准煤。
2、大量的凝结水不回收
凝结水中所含热能约占新蒸汽热能的20～25％左右。目前我国的蒸汽管网大约有70％的凝结水未被回收而直接排到地下。国家有关规定要求凝结水回收比例为80％，国际上较先进国家该指标一般为90％左右。仅此一项，每年浪费的锅炉软水就有15亿吨，由此浪费的能源每年约1500万吨标准煤（注4）。
3、管网中的关键产品质量不过关
一时产品质量低，二是品种不全，以疏水阀为例，高性能、高参数的疏水阀不能满足市场需求。目前，国内疏水阀年生产总量约为100万只，其中60％的产品由乡镇企业制造生产。这些企业中，有些仍然在生产国家明令淘汰的产品，有些未领取疏水阀的生产许可证，也有一些不具备国家标准规定的试验条件和生产条件，因而造成国产疏水阀产品相当大的部分质量低下。实际使用中，只有10％的疏水阀处于良好工作状态。尽管国家标准规定疏水阀的使用寿命为8000小时，漏汽率不超过3％，而实际上，大部分产品一般只能达到4000小时左右，甚至有的产品是“1日产品”或“1周产品”。漏汽率也大多超过3％，甚至高达10％。其它管网产品，如温度控制阀、减压阀、连接管件与密封材料以及凝结水回收泵等也都存在类似的问题（注3）。
4、管网的设计、产品的选型以及管道的安装水平比较落后
表现在：
l 一般的工厂在蒸汽输送主干管路上极少或根本不装疏水阀。而科学的蒸汽输送主管路应该每隔150～200米安装一只疏水阀。
l 疏水阀的选型与安装不合理。造成有的疏水阀安装上去以后就从未正常工作过，有的跑漏汽现象严重，有的阀门寿命大大低于设计寿命等等。
l 管网设计不合理造成疏水阀不能发挥阻汽排水作用，产生水击、凝结水倒流等。
l 管网中的凝结水不能及时排除，造成蒸汽携带凝结水，影响蒸汽品质和生产工艺过程，影响产品品质，同时大大降低管网系统的仍能利用效率和管网设备的寿命。
l 疏水阀与各类管路阀门的布局不合理，检测与维护不方便。
5、管路与维护水平低
长期以来，我国蒸汽管网系统在实际生产中没有得到应有重视，大多数企业对蒸汽管网放任自流，管网的跑冒滴漏现象十分严重。一个普通的现象是企业的生产总量没有显著增长，但锅炉的台数、蒸吨数却在不断增加。即产量没有增加，而蒸汽的漏耗量却不断增加。结果是蒸汽通过维护不良的管网和疏水阀以后泄漏得更加严重造成能源得大量浪费。目前，我国大多数企业对蒸汽管网系统既无管理制度也无专职管理人员和技术人员，一些兼管得技术人员和工人对蒸汽、蒸汽管网、疏水阀、温控阀、用汽设备以及安装、维护、检修得基本知识知之甚少，而且缺乏基本得培训，因而造成许多不合理得现象。如一席本应该水平安装得疏水阀被倾斜或垂直安装，一些进口得先进疏水阀在处于错误得安装状态下，使用了四、五年。疏水阀本应1～2年内就要更换或彻底检修，但许多陈旧落后、年久失修得疏水阀还在管网上大量使用等等。
三、蒸汽管网系统节能与环保得发展潜力
（一）我国蒸汽管网系统得现状和存在得问题可以看出，我国蒸汽管网系统得设计、产品得选型、疏水阀等管网产品得研究开发与生产、现有蒸汽管网系统得检测维修与优化改造等，都存在许多有待解决得问题。近年来，国家有关部门对管网中得专项问题也曾组织力量做了一些工作，包括国家计委、国家经贸委和国家科委组织得三次管网系统节能工作调查、蒸汽管网节能软课题研究、1981年国家科委组织得历经3年得管网系统节能试点以及少数几个高性能疏水阀品种得研究和开发项目等，取得叻一定成绩，对提高我国蒸汽管网系统水平起到了推动作用。特别是管网系统节能试点项目取得了较好得效果，显示了蒸汽管网节能与环保方面得巨大潜力和经济上的可行性，同时也反映出作为系统工程抓蒸汽管网节能的必要性。遗憾的是由于当时对管网系统技术掌握不够，管网节能产品水平相对也比较落后以及这些试点项目主要是属于新产品开发的科研性项目等客观原因，再加上当时对蒸汽管网节能工程认识的不足，管网节能试点项目在试点技术内容的广度与深度上都受到了一定的局限，未能充分体现将整个管网作为一个完整系统进行改进或改造的特点与显著效果，所以试点工作没有得到应有的重视，试点工作也没有被广泛推广。即便如此，一些方向性的问题当时就被提出，如“蒸汽管网节能一定要上工程”，“蒸汽管网的节能与环保工作大有潜力可挖”，“蒸汽管网节能要抓好凝结水回收和利用技术、二次蒸汽利用技术以及温度控制技术等三项技术”，“要制定中国的节能法”等。国家计委当时也明确提出“抓好供热系统节能工作，意义很大，是当前节能工作的一个重要方面”。在国家科委组织和支持的蒸汽管网节能试点项目的总结报告中，关于成立蒸汽管网节能工程公司的建议也被提出。
值得指出的是，迄今为止，国家对蒸汽管网节能工程项目尚未支持过，一定程度上导致了蒸汽管网系统节能工程进展缓慢。
（二）所谓蒸汽管网节能工程，就是采用先进的管网节能产品和管网系统技术，以整个管网系统为工程载体，在全面考虑用热设备、管路、压力、温度控制、排气、排水、汽水分离等诸多因素候，为提高蒸汽热能有效利用率，而采取的管网系统综合节能措施的总称。
蒸汽管网系统节能工程主要有两个方面的工作：一是对现有蒸汽管网系统的改造，具体包括：
l 管网系统运关系状况诊断与网上产品工作状态检测；
l 管网系统热能利用效率与蒸汽损耗状况的检测与核算；
l 凝结水的回收和利用；
l 二次蒸汽的再利用；
l 网上各类阀门、连接元件的检测和维修；
l 管网的在线补漏。
二是对新建项目的蒸汽管网系统进行优化设计，科学选型，以及建立新建项目节能示范工程等等。
（三）蒸汽管网节能工程的最终效果和检验标准就是在向他的管网工况田间与用汽条件下，蒸汽、凝结水以及所需能源的节约程度。实际上就是管网使用者节能、节汽、节水等成本的降低程度。
由于我国蒸汽管网系统热能利用效率仅为30％左右，仅为国际先进水平的一半，即我国的蒸汽管网系统每生产一个单位的蒸汽比国际先进国家多消耗一倍能源。
具体效果有以下几个方面：
1、节能
我国的蒸汽供热系统由于热能利用效率低的原因而浪费能源一年高达1.6亿吨标准煤，蒸汽管网的蒸汽泄漏和凝结水浪费加起来所造成的能源损耗就达2900万吨标准煤。每减少一只漏汽超标的疏水阀一年就可节约标准煤2.5吨。而回收和再利用1吨凝结水就相当于节约了20～25％的蒸汽。每小时回收一吨凝结水，相当于每年节约30吨标准煤。由此可见蒸汽管网节能工程的巨大节能潜力（注3、注4）。
2、节汽
一只常见的疏水阀（最小出水孔直径5mm，蒸汽压力为7公斤/cm，压差为3公斤，一年有效工作时间为3000小时）在完全失效的漏汽状态，保守测算一年漏汽约60余吨，而在超标漏汽状态（漏汽率为10％，超出标准7％（，保守测算的结果也在20余吨。二者之合，我国蒸汽管网由于疏水阀泄漏这一项每年所浪费的蒸汽高达8000万吨左右。加上该装未装疏水阀部分的蒸汽泄漏，每年浪费的蒸汽高达1亿吨（注5），也就是说全国每年总的蒸汽节约潜力在1亿吨左右。
3、节水
由于蒸汽管网中70％的凝结水未经过回收就被直接排放掉，由此蒸汽管网每年都在浪费数以亿吨计的水资源。同时，也白白浪费叻约为20～25％的新汽热能，增加了锅炉的补给水量和排污量。据测算每年浪费的凝结水总量约为15亿吨左右。
4、减少污染
工业锅炉使污染物质的主要排放源之一。每年排放的烟灰量近620万吨，占总排放量的36.6％，二氧化硫的排放量约为510万吨，占总排放量的38.8％，二氧化碳的排放量超过5亿吨。而蒸汽管网的节能从根本上减少了同一负荷下的锅炉燃煤量，因此对减少环境污染具有重要意义。另一方面，凝结水的回收减少了经过化学物质出来的锅炉软水的直接排放。
据测算，一个3.2毫米出水孔径的疏水阀，用于一个燃煤锅炉提供蒸汽的管网系统，其工作压力为2.11公斤/cm2，当这样一只疏水阀处于完全失效的泄漏状态时，它每年浪费的燃料所造成的污染物排放为：灰尘195公斤，二氧化硫159公斤，氧化氮45.4公斤，氧化碳1.45公斤（注7）。
（四）从国际上看，提供整个蒸汽管网的节能工程与服务，补充或逐步取代单一管网产品的销售与服务，已经成为发展趋势。一些相关的工程与控制公司纷纷作出调整，向用户提供一揽子的管网系统工程服务，如美国著名的Johnson控制公司。另外一些著名的管网产品制造商，如美国的Spirax Sarco公司和美国的Armstrong公司也都成立了各自的蒸汽管网系统工程服务公司。
（五）我国政府历来重视节能与环保工作，“八五”期间，国家提出了“开发与节约并重，近期把节约放在优先地位”和“高度重视节约能源原材料，提高资源利用效率”的指导方针，并组织起草了《节约能源法》，同时投入276.4亿元用于全国的节能技术改造，形成了年节约4600万吨标准煤的能力。八届人大四次会议通过的《“九五”计划和2010年远景目标纲要》再一次提出了“能源工业节约与开发并举，把节约放在首位”的方针。我国第一部《节约能源法》也将马上出台。
1996年5月，国家计委、经贸委和国家科委联合发出通知，再一次要求贯彻实施《中国节能技术政策大纲》。《大纲》十分明确地将蒸汽管网设备作为三种节煤机电产品之一在“主要好能行业工艺节能——机电工业”一章中提了出来，并要求“开发高性能、高参数、高温、高压蒸汽疏水阀产品，提高产品质量和可靠性，使新型疏水阀地漏气率降低到2％以下，使用寿命达到12000小时”。
总之，蒸汽管网节能是国家节能工作地一个重要领域，符合国家节能的指导方针。
四、蒸汽管网系统节能工程经济上的可行性
蒸汽管网节能工程主要有两个方面的内容：一是减少蒸汽的泄漏和损耗；二是提高凝结水的回收和再利用。主要目的是提高蒸汽管网的热能利用效率，保证稳定、高品质蒸汽的输送、分配、使用与回收。
1、减少蒸汽泄漏的成本效益分析
一只完全失效的疏水阀，在通常的工作条件下（最小出水孔径5毫米，蒸汽压力7公斤/cm2，压差为3恭敬，一年有效工作时间为3000小时），一年泄漏的蒸汽为60吨，按照目前国内90～100元/吨的蒸汽价格折算，约浪费6000元左右的资金。而一只处于泄漏状态的疏水阀，在上述工况条件下，一年泄漏的蒸汽达20余吨，折合资金2000余元。假设这样一只疏水阀被一只高质量的疏水阀按照每只1200元的价格替换，则第一种情况的投资回收期，仅为2个月，而第二种情况的投资回收期也仅为7个月。
如果考虑更换全部处在不良工作状态（包括漏汽和泄漏）的疏水阀，则需更换的总数为220余万只，总成本为26.4亿元，节约的蒸汽总量按8000万吨计，则折合资金80亿元左右。整个回收期仅为4个月左右。
目前，我国疏水阀的拥有总量为250万只左右，若将其中完全失效处于泄漏状态的疏水阀更换成新的疏水阀，一年就需75万只疏水阀；若将超标准泄漏的疏水阀全部更换掉，就再需150万只。二者之和高达225万只，再加上新增蒸汽能力部分所需的20万只，则每年全国疏水阀市场总的需求量在240万只左右，基本上相当目前总的拥有量。由此可见，疏水阀市场的客观需求量是十分庞大的。
2、凝结水回收的成本效益分析
采用凝结水回收泵，将凝结水重新打回到锅炉中去，不仅大大地提高管网系统地热能利用效率，而且大幅度地减少了锅炉地补给水量。从热能利用地角度看，每小时回收1吨地凝结水，一年就相当于减少30吨标准煤地消耗。目前凝结水地价格大约为每吨20元左右，如果一台锅炉装一只凝结水回收泵，全国目前35万台蒸汽锅炉，若三分之一地锅炉采用此类泵回收凝结水，则需要12万台凝结水回收泵，可回收地凝结水每年可达5亿吨，折合100亿元，而安装此类泵地成本，按泵地使用寿命为1年计算，每台大约只有4～6万元左右，12万台的总成本约为50～70亿元，回收期大约为6～8个月左右（注4）。
值得指出的是，当管网节能工程将整个系统作为工程载体进行节能改造并采用先进的管网系统技术时，往往会取得事半功倍的效果，即少量的投入会取得显著的效果。
3、管网系统节能工程改造范例
仓州某化肥厂对厂内管网进行凝结水回收改造后，自己做了一次投资分析，分析的结果表明，整个改造投资仅用一个半月的时间就通过凝结水回收所降低的成本全部回收，效益非常显著。
华北某制药厂的蒸汽管网节能工程的改造，对管网中的“疏水”、“减压”、“温控”和“凝结水回收”凳环节进行叻优化与更新，改造后，每年节约蒸汽15000吨，回收凝结水16000吨，两项节约总和折合人民币230余万元，整个工程的节约改造投资不超过一年就全部回收。
美国一家著名的制药厂于1991年对其蒸汽管网系统进行了改造，全部投资11万美金，节约带来的效益高达48.9万美金，相当于不到3个月就收回了全部投资。
再如美国另外一家大化学合成工厂，实施了一项为期6年的管网改造计划，节约蒸汽58万吨，相当于400万美金，而整个改造工程的投资却仅有节省资金的几分之一。
五、提高蒸汽管网系统节能与环保水平的建议措施
要实现蒸汽管网系统节汽、节水、节能、降耗的巨大潜力，体现蒸汽管网系统节能降耗经济上的显著效果，必须要把蒸汽管网作为一个完整的系统来抓，也就是说要抓蒸汽管网系统的节能工程。我国八十年代初就开始抓蒸汽管网的节能工作，实践证明，仅从科研的角度，来考虑和进行蒸汽管网的节能工作，虽然取得了积极的推动作用，但正如许多其它系统工程项目一样，实际效果不尽如人意。这是目前我国蒸汽管网系统热能利用效率低，水、汽耗费严重问题迟迟没有得到很好解决的重要原因。现在，蒸汽管网节能工作所处的客观环境和条件与80年代初相比发生了巨大的变化，已到了抓好管网系统节能工程的时候。
1、一是管网系统节能工程的经济要素发生重大变化
80年代初，我国的蒸汽价格约为8元/蒸吨，凝结水的价格约为1元/吨，标准煤的价格约为65元/吨。
现在的情况是：蒸汽约为90～100元/蒸吨，凝结水的价格约为20元/吨，标准煤的价格约为200元/吨。
这些经济要素的变化从根本上决定了管网系统节能工程的巨大的经济效益。
2、二是管网系统的产品技术与系统技术有了长足的进展
品种齐全、性能好、质量可靠的管网产品和管网系统技术是提供蒸汽管网系统节能与环保水平的关键环节和重要基础。尽管某些产品的性能和可靠性还有待于进一步提高，但国内已有能力向市场上提高性能优良、质量可靠的关键管网产品，如机械部所属的中国石化通用机械总公司、凯宁公司与美国Armstrong公司合资兴办的康森—阿姆斯壮公司向市场上提供的产品，寿命均在1年以上，有的高达5～7年，性能指标也明显优于同类产品。
近年来，蒸汽管网的优化设计、系统诊断、在线补漏、管网产品的在线检测、计算机监测与管理等管网系统技术发展十分迅速，有些技术已经开始在实践中大量采用。
3、三是国家对节能工作的高度重视
《“九五”计划和2010年远景目标纲要》再一次提出“能源工业节约与开发并举，把节约放在首位”的方针，《中国界蒽那个技术政策大纲》再次发布，以及即将出台的《节约能源法》等，都说明了国家对节能工作的高度重视。
总之，下力气抓好蒸汽管网系统节能工程的时机已经成熟。
l 设立蒸汽管网系统节能降耗专项基（资）金
蒸汽管网节能是具体贯彻落实国家节能工作方针，帮助国有大、中型企业节能降耗、降低成本的一项充分体现国家意志的具体工作。1994年，机械部技术发展基金会受国家科委委托召开了机电产品节能降耗专项基金的预备工作会议。国家计委交通能源司、经贸委节能综合利用司、国家科委工业司、节能投资公司以及机械部科技司等对建立专项基金的工作给予了肯定，并提出了许多建设性意见。此后，机械部基金会还制定了机电产品节能降耗专项基金管理办法和实施准则。
现在，设立蒸汽管网系统节能工程专项基金的条件比较成熟，建议国家有关部门给予考虑。该专项基金的设立，对那些流动资金短缺、又急于开展管网系统节能工程的国有大中型企业的节能降耗、降低成本的比将是一个极大的推动。
一些国家的成功实践表明，采用设立节约能源专项基（资）金的方式，鼓励节能工作的开展，效果是好的。
l 建立蒸汽管网系统节能示范工程
要有效地推动蒸汽管网系统节能工程的开展，充分体现管网系统节能与环保的巨大潜力和显著的经济效益，以及技术上的可行性，有必要在起步阶段，选择一些有代表性的行业和领域，建立示范工程。
蒸汽管网系统节能工程，是一个比较复杂的系统工程，涉及的行业和领域比较多，工程中设计的生产工艺过程与专业内容也千差万别。要在众多的行业领域内，针对千差万别的生产工艺过程与专业开展蒸汽管网系统节能工程，提高对管网系统节能工程的认识，充分体现节能与环保效果，仅靠从事蒸汽管网系统节能工程公司的力量是不够的。需要各使用部门的节能主管部门、技术改造主管部门、以及各省市的节能技术中心，更主要的是管网节能工程的用户，大力配合相互支持。几方共同支持和配合，我国蒸汽管网系统的节能工程的开展一定大有可为。
l 建立提供蒸汽管网系统节能技术来源与工程服务的专业机构和工程公司
目前，机械部正在积极考虑筹建“机械部蒸汽管网节能工程研究中心”。该中心将以机械部技术开发中心为依托，联系该领域内的科研机构和骨干企业开发蒸汽管网与管网产品的工程化技术，发挥科研开发与工程应用之间的桥梁与纽带作用，促进蒸汽管网系统节能技术的开发、推广与应用。该工程中心的成立，将为我国蒸汽管网系统节能工程的开展，提供重要的技术来源，并在技术上奠定坚实基础。
成立蒸汽管网系统节能工程公司的建议早在80年代初国家科委组织的“蒸汽管网节能技术研究”的总结报告中就提了出来，但一直没有得到真正的落实。目前，机械部在积极考虑筹建“机械部蒸汽管网节能工程研究中心”的同时，正在与美国阿姆斯壮公司接触，拟与美方合作，组建“蒸汽管网系统节能工程合作公司”，利用美方的先进技术与经验，结合国内各方优势，向国内蒸汽管网的应用行业和领域，提供高起点、高水平、现代、优质的节能工程服务。
“工程中心”和“合作公司”的成立，是开展蒸汽管网系统节能工程，提高我国蒸汽管网节能与环保水平的重大举措，将为有效地开展管网节能工程奠定坚实基础，创造有利条件。
参考资料
1、《中国工业锅炉生产市场和制造体系调研》
2、《机械工业年鉴1996》
3、《蒸汽管网节能技术的研究》之二
4、《供热系统中凝结水回收及疏水阀》上册
5、《疏水阀专题调查报告》
6、康森—阿姆斯壮可行性报告
7、阿姆斯壮产品与技术材料
8、中国工业部门能源效率研究报告
9、工业蒸汽的有效利用
10、企业节约能源技术
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