蒸汽与组织

所描述的益处并非所有蒸汽用户都感兴趣。蒸汽作为问题解决者的益处可以根据企业内部的不同视角进行细分。它们因您是首席执行官、管理者还是操作层面的人员而被不同地感知。

这些人关于蒸汽所提出的问题有着显著的不同。

最高级别的执行官关注的是能够满足组织战略和财务目标的最佳能量传递解决方案。

如果一家公司安装蒸汽系统或选择升级现有系统，就需要大量的资本投资，并且与系统和系统提供商的关系将是长期而复杂的。

首席执行官和高级管理人员希望获得以下问题的答案：

问：蒸汽系统代表什么样的资本投资？ 蒸汽系统仅需要小口径管道即可满足高热量需求。它不需要昂贵的泵或平衡装置，只需要双通阀。 这意味着该系统比例如高温热水系统更简单、更便宜。蒸汽设备的高效率意味着它紧凑并充分利用空间，这在工厂中往往是宝贵的。 此外，使用最新的锅炉和控制设备升级现有蒸汽系统通常只需拆除并用分散式燃气系统替换所需成本的 50%。 问：蒸汽系统的运行和维护成本将如何影响管理费用？ 集中式锅炉设备效率高，可以使用低可中断费率的燃料。锅炉甚至可以用废料作燃料，或成为最先进的热电联产装置的一部分。 蒸汽设备通常享有较长的使用寿命——三十多年或更长时间的低维护寿命是相当常见的。 现代蒸汽装置，从锅炉房到使用蒸汽的设备再回来，可以实现全自动化。这大大降低了装置的人员配置成本。 先进的能源监测设备将确保装置保持能源效率并具有较低的人员配置需求。 所有这些因素综合在一起意味着蒸汽系统享有较低的全生命周期成本。 问：如果安装了蒸汽系统，如何充分利用它？ 蒸汽有多种用途。它可以用于大面积的空间供暖、复杂工艺和灭菌目的。 以医院为例，蒸汽是理想的，因为它可以在高压下集中产生，长距离分配，然后在使用点降低压力。这意味着一台高压锅炉可以满足医院周围所有应用的需求，例如病房供暖、空气加湿、大量烹饪食品和设备灭菌。 用水系统满足所有这些需求并不那么容易。 问：如果未来需求发生变化怎么办？ 蒸汽系统灵活且易于扩展。它们可以随着公司发展并进行调整以满足不断变化的业务目标。 问：使用蒸汽对公司意味着什么？ 蒸汽的使用是环保负责的。公司继续选择蒸汽，因为它以高燃料效率产生。环境控制日益严格，甚至到了组织在安装设备之前就不得不考虑处置设备的成本和方法的程度。所有这些问题在蒸汽设备的设计和制造过程中都得到了考虑。

管理者将蒸汽视为能够解决管理问题、有益于并为企业增加价值的事物。管理者的责任是执行高级管理层下达的举措。管理者会问”蒸汽将如何成功实现这项任务的实施？”

管理者倾向于务实，专注于在预算内完成任务。如果他们相信蒸汽将在合理成本下提供最大的实用性和便利性，他们将选择使用蒸汽。 他们不太关注蒸汽系统本身的机制。一个有用的观点是，管理者是想要成品的人，而不一定想知道生产它的机器是如何组装的。

管理者需要获得以下问题的答案：

问：蒸汽适合该工艺吗？ 蒸汽服务于许多应用和用途。它具有高热含量并在恒定温度下释放热量。它不会在传热表面产生温度梯度，不像水和导热油，这意味着它可能提供更一致的产品质量。由于蒸汽是纯净流体，它可以被直接注入产品中或包围被加热的产品。由于温度和压力之间的直接关系，使用双通阀可以轻松控制传递给工艺的能量。 问：如果安装了蒸汽系统，如何充分利用它？ 蒸汽蒸汽有多种用途。它可以用于大面积的空间供暖，以及许多复杂的制造工艺。

在操作层面，制造工艺产生的冷凝水可以返回锅炉给水箱。这可以显著减少锅炉燃料和水处理成本，因为水已经过处理且处于高温。 较低压力的蒸汽也可以从闪蒸罐中的冷凝水产生，并用于低压应用，如空间供暖。 问：生产蒸汽的成本是多少？ 水资源丰富且价格低廉，蒸汽锅炉效率很高，因为它们提取了燃料中所含能量的很大一部分。如前所述，集中式锅炉设备可以利用低可中断燃料费率，而分散式燃气系统使用持续供应的优质燃料则无法做到这一点。

闪蒸蒸汽和冷凝水可以回收并返回锅炉或用于低压应用，损失最小。

蒸汽使用可以使用蒸汽流量计和兼容 SCADA 的产品轻松监测。 有关实际数据，请参见本模块后面的”产生蒸汽的成本”。 在资本和运行成本方面，在回答首席执行官的关切时看到，蒸汽设备在这两个方面都可以体现物有所值。 问：是否有足够的安装空间？ 蒸汽所享有的高传热速率意味着设备比水或导热油设备更小、更紧凑。一台额定功率为 1 200 kW 的典型现代蒸汽换热水组装式装置仅占地 0.7 平方米。与可能占据设备间大部分空间的热水加热器相比。 问：不想过多考虑这部分工艺，能否提供完整的解决方案？ 蒸汽设备可以以紧凑的即装即用组装形式提供，可在很短的时间内安装、调试并准备运行。它们提供多年的无故障运行和较低的全生命周期成本。

在操作层面，个人的日常工作效率和工作生活可能直接受蒸汽装置及其运行方式的影响。这些人想知道装置是否会运行、运行效果如何，以及这对他们的时间和资源会产生什么影响。

技术人员/操作人员需要获得以下问题的答案：

问：它会出故障吗？ 设计和维护良好的蒸汽装置应该没有理由出故障。系统的机制易于理解，设计旨在最大限度地减少维护。蒸汽设备享有 30 或 40 年无故障使用寿命的情况并不罕见。 问：需要维护时，难易程度如何？ 现代蒸汽装置的设计旨在以最少的停机时间促进快速简便的维护。 现代组件的设计在这方面是一个优势。例如，旋转接头蒸汽疏水阀可以通过拧开两个螺栓并将新的疏水阀单元滑入到位来更换。现代锻钢蒸汽和冷凝水歧管采用活塞阀，可以使用简单的手持工具在线维护。 先进的监测系统针对真正需要维护的组件，而不是允许对正常工作的设备进行不必要的预防性维护。

控制阀内部部件可以简单地取出并在管线上更换，执行器可以在现场反向安装。机械泵可以通过仅拆卸盖子进行维护，所有内部部件都附着在盖子上。通用管道连接器允许在几分钟内更换蒸汽疏水阀。 需要注意的一个重要点是，当系统需要维护时，蒸汽系统易于隔离并能快速排空，这意味着可以快速进行维修。发生的任何微小泄漏都是无毒的。液体系统并非总是如此，它们排空更慢、成本更高，可能包含有毒或难以处理的导热流体。

问：它能自我维护吗？

表 1.2.1 蒸汽用户

重度用户	中度用户	轻度用户
食品和饮料 制药 石油炼制 化工 塑料 纸浆和造纸 制糖 纺织 金属加工 橡胶和轮胎 造船 发电	供暖和通风 烹饪 固化 制冷 发酵 处理 清洗 熔化 烘焙 干燥	电子 园艺 空调 加湿

蒸汽的有趣用途：

• 肉类收缩包装。
• 按压食品罐盖。
• 爆玉米制作玉米片。
• 网球染色。
• 修复地下管道（蒸汽用于膨胀和密封泵入管道的泡沫。这为管道形成新的内衬并密封任何裂缝）。
• 保持巧克力柔软，使其可以泵送和成型。
• 使饮料瓶看起来美观但安全，例如通过热缩薄膜包装实现防篡改。
• 干燥胶水（在辊上同时加热胶水和待干燥材料）。
• 制造安全套。
• 制造气泡膜。
• 吨级削土豆皮（将高压蒸汽注入装满土豆的容器中。然后快速减压，将皮剥下）。
• 加热游泳池。
• 制造速溶咖啡、奶粉或可可粉。
• 轮胎成型。
• 熨烫衣物。
• 制造地毯。
• 瓦楞纸板压楞。
• 确保汽车高质量涂装效果。
• 清洗牛奶瓶。
• 清洗啤酒桶。
• 干燥纸张。
• 确保药品和医疗设备无菌。
• 烹饪薯片。
• 轮椅灭菌。
• 使用注入蒸汽同时提供热量、水分和湍流，均匀烹饪篮中的食物（例如海鲜）。
• 通过直接注入或夹套加热烹饪大桶食品。 …以及数百种更多用途。

在当今工业中，供应能源的成本受到极大关注。表 1.2.2 显示了从最近的英国能源统计摘要中获取的英国工业燃料暂定价格。 表 1.2.2 英国燃料价格（不含气候变化税）

基于上述成本的蒸汽产生成本

所有数据均不包括 2001 年 4 月生效的气候变化税。使用所列燃料类型和平均燃料成本数据产生 1 000 kg 蒸汽的成本如表 1.2.3 所示。 表 1.2.3 英国蒸汽成本 - 2009

现代蒸汽锅炉通常在 80% 到 85% 的效率范围内运行。锅炉与工艺设备之间的管道会产生一些分配损失，但对于按当前标准保温的系统，此损失不应超过蒸汽总热含量的 5%。可以回收排污中的热量，闪蒸蒸汽可以用于低压应用，冷凝水可以返回锅炉给水箱。如果在锅炉烟道中安装了省煤器，集中式蒸汽装置的总体效率将约为 87%。 这低于在使用点实现的电加热系统 100% 的效率，但应比较两种系统的典型运行成本。很明显，最便宜的选项是集中式锅炉设备，它可以使用较低的可中断气费率，而不是使用点加热系统所必需的全费率天然气或电力。发电站的发电总效率约为 30% 到 35%，这反映在单位电价中。 蒸汽设备中的组件也是高效的。例如，蒸汽疏水阀仅允许冷凝水从设备中排出，将有价值的蒸汽保留在工艺中。冷凝水的闪蒸蒸汽可以借助闪蒸罐用于较低压力的工艺。 以下页面介绍了一些真实案例，其中蒸汽用户最初被错误建议和/或只能获得有关蒸汽设备的劣质或不完整信息。在这两种情况下，他们几乎做出了代价高昂且绝对不符合其组织最佳利益的决定。 一些识别细节已被更改。

案例研究：英国西部地区医院考虑替换其蒸汽系统

在 20 世纪 90 年代中期的一个真实案例中，英格兰西部的一家医院考虑用高温热水系统替换其老旧的蒸汽系统，使用额外的燃气锅炉来处理部分负荷。虽然新蒸汽系统在设计上非常现代和高效，但有时会遇到被忽视的旧系统，该用户需要做出更新或替换系统的决定。 该项目的资金拨款为三年内 257 万英镑，包括专业费用和增值税。 经与医院协商，显示仅需 120 万英镑在十年内就可以更新蒸汽锅炉、管道和大量换热器。同样清楚的是，蒸汽系统的更新将需要大大减少的专业投入。事实上，转向高温热水（HTHW）将比更新蒸汽系统多花费 120 万英镑以上。 医院最初提出替换蒸汽系统的原因是：

• 使用 HTHW 系统，维护和运行成本会更低。

• 现有的蒸汽设备、锅炉和管道无论如何都需要更换。 据说蒸汽系统的维护成本包括换热器保险、蒸汽疏水阀维护、减压阀和水处理设备，以及冷凝水管道的更换。 据说运行成本包括水处理、补水、锅炉房人员配置以及换热器、排污和疏水阀的热损失。 医院使用的 HTHW 与蒸汽的大致年运行成本如表 1.2.4 所示。

表 1.2.4 运行成本

支持单独燃气锅炉的额外主张为： **-**无主管损失。

• 更小的替换锅炉。

• 无备用燃料需求。 上述成本核算使 HTHW 系统在运行成本方面看起来更为有利。 新的 HTHW 系统将花费 1 953 000 英镑，加上每年 274 600 英镑的运行和维护成本。这实际上意味着将一台设备退役并替换，成本超过 200 万英镑，仅节省每年约 130 000 英镑。 需要考虑以下因素：

• 使用 HTHW 的 130 000 英镑节省来源于 406 400 英镑 - 274 600 英镑。通过使用冷凝水回水和闪蒸蒸汽回收，蒸汽燃料成本可以降低到与 HTHW 相同的水平。这将使总额减少 65 000 英镑至 341 400 英镑。

• 所声称的最大节省来自取消有人值守锅炉。然而，现代锅炉房是全自动的，没有人员配置需求。

• 考虑到 HTHW 方案包括引入 16 台新的燃气锅炉、4 台新的蒸汽发生器和 9 台新的加湿器，37 000 英镑的维护成本节省看起来非常乐观。这将带来重大的维护需求。

• 蒸汽发生器和加湿器有未计入的燃料需求和水处理成本。燃料将以优质费率供应，以满足不需要备用燃料的说法。相比之下，集中式蒸汽锅炉可以利用可中断费率的低成本替代品。

• 来自较低主管热损失（来自无主管燃气锅炉）的节省相对于所涉及的总成本是最小的，实际上被优质费率燃料的需求所抵消。

• 支持替换蒸汽系统的一个事实是冷凝水管道更换的高成本。这一说法告诉我们正在发生腐蚀，最常见的原因是溶解气体，可以通过物理或化学处理去除。因为这个原因而更换系统就像因为烟灰缸满了而换车！

• 蒸汽系统的一个缺点是需要对蒸汽/水换热器进行保险检查。然而，HTHW 换热器也需要检查！

• 另一个缺点是需要维护蒸汽减压阀。但水系统包含具有重大维护需求的三通阀。

• 对蒸汽系统的补水和水处理成本提出了批评。然而，当蒸汽系统需要维护时，相关部分可以轻松隔离并快速排空，损失很少（这最大限度地减少了停机时间）。相比之下，水系统需要整个部分冷却然后排空。维护后必须重新注满并排出空气。HTHW 系统也需要化学处理，就像蒸汽系统一样。 了解了这些解释后，医院意识到他们决策所依据的大部分证据是有偏见和不完整的。医院工程团队重新评估了情况，决定保留其蒸汽设备，并用现代控制和设备对其进行现代化改造，节省了大量资金。

伴热是管道和储罐/工艺容器可靠运行的重要环节，跨越广泛的行业领域。

蒸汽伴热管是一根小蒸汽管，沿着（通常是较大的）工艺管道外表面敷设。通常在伴热管和工艺管之间使用导热胶。两根管道然后一起保温。伴热管提供的热量（通过传导）防止较大工艺管道中的内容物冻结（水管线的防冻保护）或维持工艺流体的温度，使其易于泵送。 伴热通常出现在石油和石化行业，但也出现在食品和制药领域，用于油脂和葡萄糖。许多这些流体只有在远高于环境温度的温度下才能泵送。在化学加工中，从乙酸到沥青、硫和锌化合物的一系列产品只有在维持适当温度的情况下才能通过管道输送。 对于过程工业中广泛存在的管道敷设，蒸汽伴热仍然是最受欢迎的选择。对于非常短的管道或没有蒸汽供应的地方，通常选择电伴热，尽管热水也用于低温需求。蒸汽和电伴热的相对优势在表 1.2.5 中总结。

表 1.2.5 蒸汽和电伴热的相对优势

	蒸汽伴热	电伴热
坚固性——抵抗恶劣天气和物理损坏的能力	良好	较差
灵活性——满足不同产品需求的能力	优秀	较差
安全性——在危险区域使用的适用性	优秀	不能在所有区域使用
每 GJ 能源成本	0 到 7.70 英镑	22.00 英镑
系统寿命	长	有限
可靠性	高	高
系统扩展的便捷性	容易	困难
温度控制——维持温度的精度	非常好/高	优秀
大型设备适用性	优秀	中等
小型设备适用性	中等	良好
伴热管安装便捷性	中等	需要专业技能
维护成本	低	中等
是否需要专业维护人员	否	是
是否可作为交钥匙项目	是	是

案例研究：英国炼油厂为 4 公里管道使用蒸汽伴热

1998 年，英国最大的炼油厂之一安装了蒸汽伴热系统。 背景 所涉及的石油公司从事一种蜡产品的出口。蜡有许多用途，例如作为电缆绝缘、瓦楞纸板中的树脂以及保护新鲜水果的涂层。 蜡具有类似石蜡的特性。为了使其以液体形式运输任何距离，需要将其维持在一定温度。因此，炼油厂需要一条带有关键伴热的管道。 该项目需要安装一条直径 200 mm 的产品管道，从罐区延伸到海上的海上码头——一条约 4 公里长的管道。 该项目于 1997 年 4 月开始，安装于 1998 年 8 月完成，第一次成功的蜡出口在一个月后进行。 虽然炼油厂管理团队最初致力于电伴热方案，但他们被说服查看了电伴热和蒸汽伴热两种选择的比较设计方案和成本核算。 蜡应用 这个关键伴热应用的关键参数是提供 80°C 的严格产品温度控制，但有能力在启动或回流条件下将温度提高到 90°C。其他关键因素包括产品在 60°C 以下会固化，以及在 120°C 以上会变质。 现场有 9 bar g 和 180°C 的蒸汽可用，如果使用传统的 80 号碳钢伴热管道，这立即带来了表面温度过高的问题。这是承包商为石油公司提出的传统蒸汽伴热方案。 所需的伴热管总长度为 11.5 公里，这意味着碳钢管道的安装将非常劳动密集、昂贵且不切实际。考虑到所有的接头，这不是一个有吸引力的选择。 然而，当今的蒸汽伴热系统在技术上非常先进。Spirax Sarco 及其在该项目中的合作伙伴（一家专业伴热公司）能够提出两条平行的保温铜伴热管，有效地在产品管和蒸汽伴热管之间形成一层隔热层。这使得可以使用 9 bar g 的蒸汽供应，而不会出现可能超过关键 120°C 产品限制的热点。 安装优势在于，由于使用的退火柔性蒸汽伴热管以连续卷长度提供，拟议的 50 米管道段只有有限数量的接头，减少了连接器未来泄漏的可能性。 这提供了一个可靠、低维护的解决方案。 经过全面的能源审计计算，以及为成本核算目的制作的示意图安装图纸，加上一些仔细的工程设计，提案是使用现有的 9 bar g 分配系统配合 15 mm 碳钢管道来供应伴热系统，同时配备过滤器和温度控制装置。使用碳钢冷凝水管道配合轻型伴热疏水阀，最大限度地减少了对大型制造支撑的需求。 典型的伴热管段将是 50 米长的双股隔离铜伴热管，安装在产品管的 4 点和 8 点钟位置，以 300 mm 间隔用不锈钢带固定在产品管道上。 蒸汽伴热的材料和安装成本比电伴热方案低约 30%。此外，蒸汽系统的持续运行成本将远低于电伴热方案。 在石油公司管理层承诺使用蒸汽伴热系统之前，他们不仅要求延长的产品保修和设备性能保证，还坚持要建造一个试验台来证明自作用控制伴热管适用于如此苛刻的应用。 Spirax Sarco 通过参考其工厂其他地方的现有安装（其中十个自作用控制器已成功安装在泵输送管线的伴热上）向他们保证了设计的适用性。 石油公司随后被说服了蜡产品管线使用蒸汽伴热的好处，并继续安装了蒸汽伴热系统。 对 4 公里管道线路进行了进一步的深入勘测，以制作完整的安装图纸。公司还为人员提供了现场培训，内容涉及正确的操作规范和安装程序。 安装后，确认了热负荷设计，产品维持在所需的 80°C。 石油公司高管对项目的成功印象深刻，选择了为另一条 300 米长的蜡产品管线安装蒸汽伴热，而不是电伴热，尽管他们最初确信电伴热是关键应用的唯一解决方案。