蒸汽——能源流体

在进入蒸汽装置概述或任何技术说明之前，通过考虑蒸汽的众多用途和优势来引入这个话题是很有意义的。

蒸汽已经从其与蒸汽机车和工业革命的传统联系中走出了很远。如今，蒸汽是现代技术不可或缺的重要组成部分。没有它，我们的食品、纺织、化工、医疗、电力、供暖和运输行业将无法存在或无法像现在这样运作。

蒸汽提供了一种将可控能量从集中自动化锅炉房输送到使用点的方式，在那里可以高效且经济地产生蒸汽。因此，当蒸汽在工厂中流动时，它同样可以被视为能量的运输和供应。

由于许多原因，蒸汽是传递热能最广泛使用的介质之一。它在整个工业中被广泛用于各种任务，从机械动力生产到空间供暖和过程应用。

蒸汽的产生高效且经济

水资源丰富且价格低廉。它对健康无害且环保。在其气态形式下，它是安全高效的能量载体。蒸汽可以储存相当于同等质量水的五到六倍的潜在能量。

当水在锅炉中加热时，它开始吸收能量。根据锅炉中的压力，水将在某个温度下蒸发形成蒸汽。蒸汽含有大量的储存能量，最终将传递给工艺或需要加热的空间。

蒸汽可以在高压下产生，以获得高蒸汽温度。压力越高，温度越高。高温蒸汽含有更多的热能，因此其做功的潜力更大。 现代壳管式锅炉设计紧凑高效，使用多回程和高效燃烧器技术，将燃料中所含能量的极高比例传递给水，同时排放最低。 锅炉燃料可以从多种选项中选择，包括可燃废物，这使得蒸汽锅炉在可用的供热选择中成为一种环保的选择。集中式锅炉装置可以利用低可中断气费率，因为任何合适的备用燃料都可以储存起来，在供气中断时使用。 高效的热回收系统几乎可以消除排污成本，将有价值的冷凝水返回锅炉房，并提高蒸汽和冷凝水回路的整体效率。

热电联产（CHP）系统日益增长的普及，证明了蒸汽系统在当今环境和能源意识行业中的高度重视。

蒸汽可以轻松且经济地分配到使用点

蒸汽是远距离传递热量最广泛使用的介质之一。由于蒸汽沿线路压降方向流动，不需要昂贵的循环泵。 由于蒸汽的高热含量，只需相对较小口径的管道即可在高压下分配蒸汽。然后在使用点根据需要降低压力。这种安排比某些其他传热流体的安装更简单、成本更低。 总体而言，蒸汽产生、分配和冷凝水回流系统的较低资本和运行成本意味着许多用户选择安装新的蒸汽系统，而不是选择其他

能源介质，如燃气、热水、电和导热油系统。

蒸汽易于控制

由于饱和蒸汽的压力和温度之间存在直接关系，因此只需控制饱和蒸汽压力，就可以轻松控制输入过程的能量。现代蒸汽控制设备设计为对工艺变化响应非常迅速。

图 1.1.4 所示的设备是典型的双通控制阀和气动执行机构组件，设计用于蒸汽。其精度通过使用气动阀门定位器得到增强。

使用双通阀（而非液体系统中通常需要的三通阀）简化了控制和安装，并可能降低设备成本。

能量轻松传递到工艺过程

蒸汽提供卓越的传热性能。当蒸汽到达设备时，冷凝过程高效地将热量传递给被加热的产品。

蒸汽可以包围或注入被加热的产品。它可以以均匀的温度填充任何空间，并通过在恒定温度下冷凝来提供热量；这消除了沿任何传热表面可能存在的温度梯度——这一问题往往是高温油或热水加热的特征，并可能导致质量问题，例如被干燥材料的变形。

由于蒸汽的传热特性非常高，所需的传热面积相对较小。这使得可以使用更紧凑的设备，更易于安装且在工厂中占用更少的空间。一台额定功率为 1200 kW 的现代组装式蒸汽加热水装置，包含板式换热器和所有控制装置，仅需 0.7 平方米的占地面积。相比之下，包含管壳式换热器的组装式装置通常占据的面积是其两到三倍。

现代蒸汽装置易于管理

越来越多的工业能源用户希望最大化能源效率并最小化生产成本和管理费用。《京都议定书》关于气候保护的规定是推动能源效率趋势的主要外部影响，并在全球范围内导致了各种措施，例如英国的气候变化税。此外，在当今竞争激烈的市场中，成本最低的组织通常可以比竞争对手获得重要优势。生产成本可能意味着在市场上生存或失败之间的差异。

提高能源效率的方法包括监测并向相关部门收取能源消耗费用。这建立了成本意识，并将管理集中在实现目标上。通过确保有计划的系统维护，也可以最小化可变管理费用；这将最大化工艺效率、提高质量并减少停机时间。

大多数蒸汽控制设备能够与现代网络化仪表和控制系统连接，以实现集中控制，例如 SCADA 系统或楼宇/能源管理系统。如果用户希望，蒸汽系统的组件也可以独立（独立式）运行。

通过适当维护，蒸汽装置可以使用多年，系统许多方面的状况都可以轻松地在自动基础上监测。与其他系统相比，使用疏水阀监测系统可以轻松实现蒸汽疏水阀的有计划管理和监测，任何泄漏或堵塞都会被自动定位并立即引起工程师的注意。

这可以与气体泄漏监测所需的昂贵设备，或与油或水系统相关的耗时手动监测形成对比。

此外，当蒸汽系统需要维护时，系统的相关部分可以轻松隔离并快速排空，这意味着可以快速进行维修。

在许多实例中，已证明将长期使用的蒸汽装置通过先进的控制和监测系统进行现代化改造，比用替代的能源供应方式（如分散式燃气系统）替换它要便宜得多。模块 1.2 中提到的案例研究提供了真实案例。

当今最先进的技术与蒸汽作为蒸汽机和工业革命产物的传统观念相去甚远。事实上，蒸汽是当今工业的首选。列举任何知名的消费品牌，十有八九，蒸汽在生产中发挥了重要作用。

蒸汽具有灵活性

蒸汽不仅是优秀的热量载体，而且是无菌的，因此在食品、制药和卫生行业的过程使用中很受欢迎。它也被广泛用于医院的灭菌目的。

使用蒸汽的行业范围从大型石油和石化工厂到小型地方洗衣店。进一步的用途包括造纸、纺织、酿造、食品生产、橡胶硫化以及建筑物的供暖和加湿。

许多用户发现将蒸汽同时用作空间供暖和过程应用的工作流体很方便。例如，在酿造行业，蒸汽在工艺的不同阶段以各种方式使用，从直接注入到盘管加热。

蒸汽本质上也是安全的——它不会产生火花且没有火灾风险。许多石化工厂利用蒸汽灭火系统。因此，它非常适合在危险区域或爆炸性气氛中使用。

其他分配能源的方法

蒸汽的替代品包括水和导热流体，如高温油。每种方法都有其优缺点，最适合某些应用或温度范围。

与蒸汽相比，水携带热量的潜力较低，因此必须将大量的水泵送到系统周围以满足工艺或空间供暖需求。然而，水在一般空间供暖应用和低温工艺（最高 120°C）中很受欢迎，因为这些工艺可以容忍一定的温度变化。

导热流体（如矿物油）可在需要高温（最高 400°C）但无法使用蒸汽的情况下使用。一个例子是在分批工艺中加热某些化学品。然而，导热流体昂贵，且需要每隔几年更换一次——它们不适合大型系统。它们也非常”渗透性”强，必须使用高质量的接头和连接件以避免泄漏。

不同的介质在下表 1.1.1 中进行了比较。加热介质的最终选择取决于技术、实际和财务因素之间的平衡，这对每个用户来说都是不同的。

广义而言，对于商业供暖和通风以及工业系统，蒸汽仍然是最实用和经济的选择。

表 1.1.1 加热介质与蒸汽的比较

蒸汽的优势——总结

表 1.1.2 蒸汽优势

固有优势	系统优势
水资源易得 水价低廉 蒸汽清洁纯净 蒸汽本质上安全 蒸汽热含量高 由于压力/温度关系，蒸汽易于控制 蒸汽在恒定温度下释放热量	小口径管道、紧凑尺寸和轻重量 无需泵、无需平衡 双通阀——更便宜 维护成本低于分散式装置 资本成本低于分散式装置 兼容 SCADA 的产品 自动化；全自动锅炉房满足英国 PM5 和 PM60 等要求 低噪音 设备尺寸减小（与水相比） 设备寿命长 锅炉享有灵活的燃料选择和费率 系统灵活且易于扩展
环境因素	用途
锅炉的燃料效率 冷凝水管理和热回收 蒸汽可以计量和管理 与热电联产/废热的结合 蒸汽具有环境和经济意义	蒸汽有许多用途——制冷机、泵、风机、加湿 灭菌 空间供暖 行业范围广泛