CN105698154A - 带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统及其节能增效方法 - Google Patents

带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统及其节能增效方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统。该系统由蒸汽喷射器、纯蒸汽发生器、闪蒸罐、乏蒸汽回用管、冷凝水排水管、纯化水入水管、预热器、冷凝水泵、工业蒸汽引入管、蒸汽输入管、冷凝液排出管、冷凝废水排出管、纯化水输入管、纯蒸汽产出管等部分组成。蒸汽喷射器对工业蒸汽减温减压，同时抽取闪蒸罐中的乏蒸汽回用，在扩压管中混合，使乏蒸汽增温增压；闪蒸罐内冷凝液闪蒸为冷凝水及乏蒸汽；预热器利用冷凝水余热加热纯化水；纯蒸汽发生器作为工业蒸汽与纯化水换热场所，产生最终的纯蒸汽产品。本发明可降低生产单位纯蒸汽的工业蒸汽消耗量，达到充分利用蒸汽余热、提高纯蒸汽生产经济性的目的。

Description

带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统及其节能增效方法
技术领域
本发明涉及纯蒸汽发生系统，尤其是一种带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统及其节能增效方法。
背景技术
纯蒸汽可用于物料的高温灭菌、管道和工艺设备的消毒，食品、药品等行业的生产都离不开纯蒸汽的制备这一环节，纯蒸汽制备常使用电厂蒸汽作为热源加热、蒸发纯化水。而电厂的蒸汽参数很高，需进行减温减压，这个过程会引起可用能的损失，增加工业蒸汽的消耗量。另外，冷凝余热的浪费也影响着纯蒸汽发生器的经济性。
蒸汽喷射器是一种利用高压蒸汽抽吸低压蒸汽的装置，具有结构简单、无运动部件的特点。蒸汽喷射器通常可实现对高压蒸汽减压和对低压蒸汽增温增压两方面的功用。
目前国内纯蒸汽发生器技术领域多从改变纯蒸汽发生器本身的结构和回收利用冷凝水这两个角度来达到增益目的，这会导致两方面问题：
1、仅改变纯蒸汽发生器的结构，对工业蒸汽的利用率提升较小，且实际生产过程中的变工况适应性不强，如专利CN201520298560X。
2、通过增加蒸发器效数实现冷凝热回收，会使设备投资费和建设费显著提升，使纯蒸汽生产的经济性提升打折扣，如专利CN2012201563096。
因此，针对上述问题，选择简洁、有效的系统实现冷凝余热余压的利用就变得至关重要了。
发明内容
本发明的目的是克服传统的纯蒸汽发生系统无法利用冷凝热的缺点，充分回收冷凝余热，降低生产纯蒸汽的能耗，提供一种带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统，从而提升纯蒸汽发生制备的经济性。
本发明通过以下技术方案实现：
带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统，包括：蒸汽喷射器、纯蒸汽发生器、闪蒸罐、乏蒸汽回用管、冷凝水排水管、纯化水入水管、预热器、冷凝水泵、工业蒸汽引入管、蒸汽输入管、冷凝液排出管、冷凝废水排出管、纯化水输入管和纯蒸汽产出管；工业蒸汽引入管接蒸汽喷射器入口；蒸汽喷射器出口通过蒸汽输入管连接纯蒸汽发生器壳程入口；纯蒸汽发生器壳程出口通过冷凝液排出管连接闪蒸罐；闪蒸罐上出口通过乏蒸汽回用管引至蒸汽喷射器的接受室；闪蒸罐下出口通过冷凝水排水管连接至预热器壳程入口；冷凝水排水管前端设冷凝水泵；预热器壳程出口接冷凝废水排除管；纯化水入水管接预热器管程入口；预热器管程出口通过纯化水输入管连接纯蒸汽发生器管程入口；纯蒸汽发生器管程出口接纯蒸汽产出管。
作为优选，所述的蒸汽喷射器的喷射系数u，即被抽吸的乏蒸汽流量和工业蒸汽流量的比值范围为0.05～0.2。
作为优选，所述的闪蒸罐，其通过闪蒸获得的冷凝水和乏蒸汽的流量比例范围为10:1～12:1。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统的节能增效方法，步骤如下：高压工业蒸汽由工业蒸汽引入管接至蒸汽喷射器，经过蒸汽喷射器减压的同时抽吸来自闪蒸罐的乏蒸汽回用，混合后的蒸汽经由蒸汽输入管引入纯蒸汽发生器；蒸汽喷射器的抽吸作用增加了进入纯蒸汽发生器换热的蒸汽供给量，提高了带入纯蒸汽发生器的总焓。换热后的冷凝液经冷凝液排出管引至闪蒸罐，在闪蒸罐中闪蒸为冷凝水和乏蒸汽；乏蒸汽被蒸汽喷射器经乏蒸汽回用管抽出得以再次利用；高温冷凝水在冷凝水泵的作用下经冷凝水排水管引至预热器壳程中加热来自纯化水入水管的纯化水至近饱和或饱和状态，实现了工业余热的二次供给，提高纯蒸汽发生器中的换热效率；换热后的冷凝水由冷凝废水排出管排出，饱和的纯化水经纯化水输入管引入纯蒸汽发生器换热后，最终产出的纯蒸汽由纯蒸汽产出管引出。
本发明与现有技术相比，具有如下特点或优点：
1、利用蒸汽喷射器对工业蒸汽减压，无直接机械能的消耗；
2、通过蒸汽喷射器对闪蒸罐中乏汽的抽吸作用，将冷凝乏汽增温增压后回用，使得低焓热能得以利用，达到减少工业蒸汽消耗量的目的；
3、以高温冷凝水作为纯化水预热的加热介质，进一步利用其余热，接近或达到饱和温度的纯化水使蒸发器的换热效率得到优化。
附图说明
图1为一种带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统的结构示意图。
图中：蒸汽喷射器1、纯蒸汽发生器2、闪蒸罐3、乏蒸汽回用管4、冷凝水排水管5、纯化水入水管6、预热器7、冷凝水泵8、工业蒸汽引入管9、蒸汽输入管10、冷凝液排出管11、冷凝废水排出管12、纯化水输入管13和纯蒸汽产出管14。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1，一种蒸汽喷射器1、纯蒸汽发生器2、闪蒸罐3、乏蒸汽回用管4、冷凝水排水管5、纯化水入水管6、预热器7、冷凝水泵8、工业蒸汽引入管9、蒸汽输入管10、冷凝液排出管11、冷凝废水排出管12、纯化水输入管13和纯蒸汽产出管14；工业蒸汽引入管9接蒸汽喷射器1入口；蒸汽喷射器1出口通过蒸汽输入管10连接纯蒸汽发生器2壳程入口；纯蒸汽发生器2壳程出口通过冷凝液排出管11连接闪蒸罐3；闪蒸罐3上出口通过乏蒸汽回用管4引至蒸汽喷射器1的接受室；闪蒸罐3下出口通过冷凝水排水管5连接至预热器7壳程入口；冷凝水排水管5前端设冷凝水泵8；预热器7壳程出口接冷凝废水排除管12；纯化水入水管6接预热器7管程入口；预热器7管程出口通过纯化水输入管13连接纯蒸汽发生器2管程入口；纯蒸汽发生器2管程出口接纯蒸汽产出管14。
所述的蒸汽喷射器1，其喷射系数u，即被抽吸的乏蒸汽流量和工业蒸汽流量的比值范围为0.05～0.2。
所述的闪蒸罐3，其通过闪蒸获得的冷凝水和乏蒸汽的流量比例范围为10:1～12:1。
利用本发明装置节能增效的方法如下：
高压工业蒸汽由工业蒸汽引入管接至蒸汽喷射器，经过蒸汽喷射器减压的同时抽吸来自闪蒸罐的乏蒸汽回用，混合后的蒸汽经由蒸汽输入管引入纯蒸汽发生器。蒸汽喷射器的抽吸作用增加了进入纯蒸汽发生器换热的蒸汽供给量，提高了带入纯蒸汽发生器的总焓。蒸汽在纯蒸汽发生器与管程的纯化水换热，使其受热蒸发，蒸发后的纯化水经汽液分离后成为纯蒸汽。换热后的冷凝液经冷凝液排出管引至闪蒸罐，在闪蒸罐中闪蒸为冷凝水和乏蒸汽。乏蒸汽被蒸汽喷射器经乏蒸汽回用管抽出得以再次利用；高温冷凝水在冷凝水泵的作用下经冷凝水排水管引至预热器壳程中加热来自纯化水入水管的纯化水至近饱和或饱和状态，实现了工业余热的二次供给，提高纯蒸汽发生器中的换热效率。换热后的冷凝水由冷凝废水排出管排出，饱和的纯化水经纯化水输入管引入纯蒸汽发生器换热后，最终产出的纯蒸汽由纯蒸汽产出管引出。综上达到降低工业蒸汽消耗量，充分利用余热，提高设备经济性的目的。
蒸汽喷射器依照工艺压力要求设计，工业蒸汽进入喷嘴后增速减压，在喷嘴出口处制造低于闪蒸罐压力的低压区，以达到闪蒸罐中的乏蒸汽被抽吸入蒸汽喷射器的目的。被卷吸的乏蒸汽与减压后的工业蒸汽混合进行能量交换，形成一股压力居中的混合流体。混合流体随后进入混合室和扩压室中，伴随着压力升高，直至在出口达到工艺压力要求。其实质是将工业蒸汽因减压过程引起的热损失用于给乏蒸汽增温增压，使乏汽中因为压力过低而无法利用的热量得到再次利用。
闪蒸罐中的工业蒸汽凝水仍具有较高的温度可被余热利用，将其通过冷凝水排水管引至预热器中与常温下的纯化水换热，使纯化水接近或达到饱和温度后送入纯蒸汽发生器中，增加纯蒸汽发生器的换热效率。
理论分析：
该系统的运行过程主要遵循质量守恒和能量守恒两个定律。
现将各部分参数符号设置如下：
蒸汽喷射器入口压力、温度、工质焓值——p1、t1、h1；
蒸汽喷射器出口压力、温度、工质焓值——p′1、t′1、h1'；
纯蒸汽发生器壳程入口压力、温度、工质焓值——p2、t2、h2；
纯蒸汽发生器壳程出口压力、温度、工质焓值——p2'、t2'、h2'；
闪蒸罐内压力、温度——p3、t3；
预热器纯化水入口压力、温度、工质焓值——p6、t6、h6；
预热器纯化水出口压力、温度、工质焓值——p6'、t6'、h6'；
纯蒸汽发生器管程入口压力、温度、工质焓值——p8、t8、h8；
纯蒸汽发生器管程出口压力、温度、工质焓值——p8'、t8'、h8'；
乏蒸汽回用管入口压力、温度、工质焓值——p4、t4、h4；
冷凝水排水管入口压力、温度、工质焓值——p5、t5、h5；
预热器冷凝水入口压力、温度、工质焓值——p7、t7、h7；
预热器冷凝水出口压力、温度、工质焓值——p7'、t7'、h7'；
蒸汽喷射器入口流量——m1；
蒸汽喷射器出口流量——m1'；
纯蒸汽发生器壳程流量——m2；
乏蒸汽回用管流量——m4；
冷凝水排水管流量——m5；
预热器纯化水流量——m6；
预热器冷凝水流量——m7；
纯蒸汽发生器管程流量——m8；
闪蒸罐内冷凝水流量——m3l；
闪蒸罐内乏蒸汽流量——m3g。
闪蒸罐内冷凝水焓值——h3l；
闪蒸罐内乏蒸汽焓值——h3g。
参数量纲和单位：
在不考虑管道中的工质损失、阀门等连接设备对工质流量影响的情况下，依据质量守恒可得：
m′1＝m1+m4；
m′1＝m2；
m2＝m3l+m3g；
m5＝m7；
m6＝m8；
m4＝m3g；
m5＝m3g+m3l。
在不考虑换热过程能量损失的情况下，依据各换热器的能量守恒可得：
m2(h'2-h2)＝m8(h'8-h8)；
m6(h'6-h6)＝m7(h'7-h7)；
在不考虑闪蒸过程能量损失的情况下，闪蒸过程的能量守恒可表示为：
m2h'2＝m3gh3g+m3lh3l；
为保证蒸汽喷射器内混合过程符合能量守恒，工业蒸汽和乏蒸汽混合前后还应满足：
m1h1+m3gh3g≥m′1h′1；
在运行过程中，选用的反映系统热力性能的参数如下：
(1)上述条件下，工业蒸汽每小时供给给纯蒸汽发生器及预热器的热量
m1(h′1-h′2)+m7(h7-h'7)+m4(h′1-h′2)；
其中，m7(h7-h'7)是冷凝水余热利用的增效体现；
m4(h′1-h′2)是乏蒸汽回用的增效体现；
(2)上述条件下，每小时供给蒸汽发生器1GJ热量时工业蒸汽消耗量为
1GJ/[(h′1-h'2)+(h7-h'7)+m4/m1·(h′1-h′2)]
算例说明：
假设纯蒸汽发生器壳程入口工艺压力要求及对应饱和温度下的焓值为p2＝0.4MPa,h2＝2738.49KJ/kg，
假设纯蒸汽发生器壳程出口为当前压力下的饱和液状态得h'2＝604.87KJ/kg，
供给的工业蒸汽参数为p1＝1.0MPa,t1＝200℃,h1＝2827.3KJ/kg，
冷凝器压力为p3＝0.1MPa
冷凝器中冷凝水参数为
p3＝0.1MPa,t3＝99.63℃,h3l＝417.52KJ/kg
冷凝器中乏蒸汽参数为
p3＝0.1MPa,t3＝99.63℃,h3g＝2675.12KJ/kg
冷凝水经预热器后的排出参数
p7'＝0.1MPa,t7'＝35℃,h7'＝146.68KJ/kg
工业蒸汽的供给量为m1＝1000kg/h
(1)、在没有蒸汽喷射器的乏汽回用和冷凝水余热利用的蒸发过程中理论上工业蒸汽每小时供给给蒸汽发生器热量为
m1(h1'-h2')＝1000×(2738.49-604.87)＝2.134×106KJ/h
理论上每小时供给蒸汽发生器1GJ热量时工业蒸汽消耗量为
1GJ/(h1'-h2')＝1×106/(2738.49-604.87)＝468.69kg/h
(2)、在没有蒸汽喷射器的乏汽回用而存在冷凝水余热利用的蒸发过程中
理论上工业蒸汽每小时供给给蒸汽发生器热量为
m1(h1'-h2')+m1(h3g-h7')＝1000×(2738.49-604.87)+1000×(417.52-146.68)＝2.404×106KJ/h
理论上每小时供给蒸汽发生器1GJ热量时工业蒸汽消耗量为
1GJ/[(h1'-h2')+(h3g-h7')]＝1×106/[(2738.49-604.87)+(417.52-146.68)]＝415.89kg/h
(3)、在带有蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生器工作过程中有质量方程知m3g＝m1＝1000kg/h
闪蒸过程根据方程组：
m2h'2＝m3gh3g+m3lh3l
m2＝m3l+m3g
解得，m4＝m3g＝90.5kg/h
理论上工业蒸汽每小时供给给蒸汽发生器热量为
m1(h′1-h'2)+m7(h7-h'7)+m4(h′1-h2')＝1000×(2738.49-604.87)+1000×(417.52-146.68)+90.5×(2738.49-604.87)＝2.597×106KJ/h
理论上每小时供给蒸汽发生器1GJ热量时工业蒸汽消耗量为
1GJ/[(h′1-h'2)+(h7-h'7)+m4/m1·(h′1-h2')]＝1×106/[(2738.49-604.87)+(417.52-146.68)+90.5/1000×(2738.49-604.87)]＝384.98kg/h
经校核，满足m1h1+m3gh3g≥m′1h′1，结果有效。
经计算可知，使用本发明后，理论上相同工业蒸汽供给量所能提供给蒸汽发生器的热量分别比情况(1)与情况(2)多21.7％与8.0％；供给蒸汽发生器相等热量时工业蒸汽的消耗量分别比情况(1)与情况(2)少17.9％与7.4％。由此可见，本发明的定量节能效果同样可观。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统，其特征在于包括：蒸汽喷射器(1)、纯蒸汽发生器(2)、闪蒸罐(3)、乏蒸汽回用管(4)、冷凝水排水管(5)、纯化水入水管(6)、预热器(7)、冷凝水泵(8)、工业蒸汽引入管(9)、蒸汽输入管(10)、冷凝液排出管(11)、冷凝废水排出管(12)、纯化水输入管(13)和纯蒸汽产出管(14)；工业蒸汽引入管(9)接蒸汽喷射器(1)入口；蒸汽喷射器(1)出口通过蒸汽输入管(10)连接纯蒸汽发生器(2)壳程入口；纯蒸汽发生器(2)壳程出口通过冷凝液排出管(11)连接闪蒸罐(3)；闪蒸罐(3)上出口通过乏蒸汽回用管(4)引至蒸汽喷射器(1)的接受室；闪蒸罐(3)下出口通过冷凝水排水管(5)连接至预热器(7)壳程入口；冷凝水排水管(5)前端设冷凝水泵(8)；预热器(7)壳程出口接冷凝废水排除管(12)；纯化水入水管(6)接预热器(7)管程入口；预热器(7)管程出口通过纯化水输入管(13)连接纯蒸汽发生器(2)管程入口；纯蒸汽发生器(2)管程出口接纯蒸汽产出管(14)。
2.根据权利要求1所述的带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统，其特征在于所述的蒸汽喷射器(1)的喷射系数u，即被抽吸的乏蒸汽流量和工业蒸汽流量的比值范围为0.05～0.2。
3.根据权利要求1所述的带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统，其特征在于所述的闪蒸罐(3)，其通过闪蒸获得的冷凝水和乏蒸汽的流量比例范围为10:1～12:1。
4.一种使用如权利要求1所述带蒸汽喷射器的高效纯蒸汽发生系统的节能增效方法，其特征在于，步骤如下：高压工业蒸汽由工业蒸汽引入管(9)接至蒸汽喷射器(1)，经过蒸汽喷射器(1)减压的同时抽吸来自闪蒸罐(3)的乏蒸汽回用，混合后的蒸汽经由蒸汽输入管(10)引入纯蒸汽发生器(2)；换热后的冷凝液经冷凝液排出管(11)引至闪蒸罐(3)，在闪蒸罐(3)中闪蒸为冷凝水和乏蒸汽；乏蒸汽被蒸汽喷射器(1)经乏蒸汽回用管(4)抽出得以再次利用；高温冷凝水在冷凝水泵(8)的作用下经冷凝水排水管(5)引至预热器(7)壳程中加热来自纯化水入水管(6)的纯化水至近饱和或饱和状态，实现了工业余热的二次供给，提高纯蒸汽发生器(2)中的换热效率；换热后的冷凝水由冷凝废水排出管(12)排出，饱和的纯化水经纯化水输入管(13)引入纯蒸汽发生器(2)换热后，最终产出的纯蒸汽由纯蒸汽产出管(14)引出。
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