>> 加濕系統對蒸氣用量評估分析案例介紹
(撰文/劉新宇 亞翔系統集成科技(蘇州) 研發部)
Air washer與蒸氣加濕，何者運轉成本較省？
這個問題，在我們承接了一個中國大陸北方(天津)的案子後，開啟了對這個問題的另一個認識，就讓本期主題分享目前我們初步的發現。
>> 前言
前言
本期議題實為 Air washer 系統安裝後的衍生物。
我們為一家位於中國大陸北方的業主在既有MAU中安裝了亞翔自行開發的Air washer系統，以應用於冬季SO2突增時段，透過水洗去除SO2，維持生產線的正常運轉及良率。
由於 Air washer不僅可用於水洗，同時亦可用於加濕，因此業主考慮是否可以僅靠Air washer 加濕，而關閉目前的蒸氣加濕裝置，以此來達到節省蒸氣的目的。
然而，在Air washer運行的過程中發現，當OA的Dew point低於一定值時，Air washer 的加濕量不足以滿足需求。
此時，蒸氣加濕裝置會自動打開，進行加濕的補充。此種狀況出現的原因是 Air washer 加濕過程為等焓加濕過程。即在這一過程中溫度降低（顯熱下降）而含水量上升（潛熱增加），這表明空氣本身需有足夠的能量。
根據廠區內的總體需求， Air washer 前的預熱盤管的入水溫度為120~130℉，當外界露點溫度降低到一定程度時，預熱盤管無法供給 Air washer 的入風足夠的能量，因此出現加濕量不足之狀況。
基於上述之情況，我們將評估三種加濕系統（Pure air washer加濕、Pure steam加濕和Air washer+steam加濕）對蒸氣的用量，以得出較為經濟有效的運行方式。
>> 評估方法
評估方法
我們將採用基本之能量守恆概念，以能量守恆來換算，實際蒸氣之使用與需求量，我們共分成兩大主軸：
1. 能量供應系統：係利用高壓高溫蒸氣熱能產生加濕用蒸氣或預熱用熱水
2. 能量消耗系統：係指MAU側的蒸氣及熱水之使用量
>> 能量供應系統
能量供應系統
在整個運行系統中，蒸氣的消耗主要來自於兩個方面。
一方面是MAU中熱盤管的熱水，其能量供應來自熱水系統，通過蒸氣和水的熱交換加熱水，供應于熱盤管；另一方面是蒸氣加濕系統，其所需蒸氣來自低壓蒸氣產生系統。
■ 計算中用到的相關參數及平衡關係：
1. 熱水系統 steam in 與 steam out 之飽和蒸氣壓為142psi（absolute)；
Steam generator steam in 之飽和蒸氣壓為142psi（absolute)，
產生的低壓飽和蒸氣為31.2psi；
由 Steam table 可得以下參數：
Specific Enthalpy of Steam(142psi)hg（kJ/kg）------------------ 2768.28
Specific Enthalpy of Water (142psi)hf ( kJ/kg) ------------------718.41
Specific Enthalpy of Evaporation(31.2psi) hfg（kJ/kg）-------- 2195.23
2. 平衡關係
Loss of steam = m steam ( hin - hout )
hin = hg；
hou t= hf + xhfg 其中 hfg為汽化潛熱且hfg = x (hg-hf)；
X為乾度： X = mg÷ ( mf+mg )
M steam 則為廠務端之高壓高溫蒸氣耗用量，即為本文之探討主題。
>> 能量消耗系統
能量消耗系統
承上所述，我們將討論三種加濕系統對蒸氣的用量的計算。分別為：
1. Pure air washer system
計算依據及相關設置：
設Air washer的飽和加濕效率為90%。Reheat coil後之溫度廠方設為59℉。
在外氣溫度為50℉狀況下，變化不同露點溫度，進行對比計算。
Heat from water = loss of steam
Heat from water=Preheat coil gain + reheat coil gain
Loss of steam=m steam (hin-hout)
2. Pure steam system
計算依據及相關設置：
Reheat coil後之溫度廠方設為59℉。在外氣溫度為50℉狀況下，變化不同露點溫度，進行對比計算。
Heat from water+Steam = loss of steam（hot water system + steam generator)
Heat from water=Preheat coil gain
Loss of steam=m steam1 (hin-hout)+ m steam2 (hin-hout)
m steam2 (hin-hout)= mhumidity hfg
3. Air washer+steam system
計算依據及相關設置：
設Air washer的飽和加濕效率為90%。Reheat coil後之溫度廠方設為59℉。
在外氣溫度為50℉狀況下變化不同露點溫度，進行對比計算。
令Preheat coil後Air washer的最高送風溫度為75℉，受限於熱水供應溫度及既有盤管之大小，則有如下之計算邏輯
>> 計算結果
計算結果
乾度 X1 (Hot water system Steam out) 與 X2 (Steam generator Steam out) 自身的取值以及X1與X2的相對大小對三種系統耗費蒸氣的量有直接關係，可影響計算結果中 pure air washer、pure steam 及 Air washer + steam 的蒸氣耗用趨勢。
在此從以下幾個方面討論 X 的取值對計算結果的影響。
1. 對於 pure air washer系統來說，影響其計算結果的只有乾度X1。依理論值分別取X1=0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，找出在不同的X1值情況下，pure air washer系統對蒸氣用量的曲線分佈情況。
2. 而對於 pure steam 與 air washer + steam 這兩種系統來說，幹度X1與X2同時影響其計算結果。在此，依理論值分別取 X1 = X2 = 0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，找出在不同的X值情況下，這兩種系統對蒸氣用量的曲線分佈情況。
3. 根據上述1和2的計算結果，討論X1與X2的相對大小的設定對結果的影響
4. 將理論設定計算後的綜合結果與現實運轉情況做比對，得出有效的結論。
>> 計算結果分析(一)
計算結果分析(一)
對於 pure air washer、pure steam 及 Air washer + steam 這三種系統來說，在不同的乾度狀況下，每種系統耗費蒸氣的曲線分佈狀況基本相同，即當X1=X2小於等於0.5時，隨著X值的增大，蒸氣耗用量的增加不甚明顯，而當X大於0.5時，蒸氣的耗用量陡然增加，如下圖所示。
>> 計算結果分析(二)
計算結果分析(二)
在不同乾度值下，當X1=X2時，pure air washer、pure steam 及 Air washer + steam對蒸氣的耗費狀況相同。
當 OA dew point 越低時，Air washer + steam 系統對蒸氣用量節省的優勢越佳，如下圖所示。
>> 計算結果分析(三)
計算結果分析(三)
乾度 X=0.5 是整個計算系統的分水嶺。
據此，我們安排另一種方式進行討論：
首先，在X1，X2皆小於等於0.5的情況下，討論X1與X2的相對大小對計算結果的影響。 試想可採用較為極限的方式，即X1=0.1，X2=0.5，或X1=0.5，X2=0.1。
期待可以從曲線的分佈狀況，結合X1=X2=0.5的曲線分佈，推出適合X1，X2皆小於0.5時不同系統對於蒸氣用量的一個結論性的判斷。
其次，討論X1，X2皆大於等於0.5的情況，意圖與1相同。
設X1=0.5，X2=0.9，或 X1=0.9，X2=0.5。X1，X2皆小於等於0.5之結果如下圖所示：
無論X1，X2怎樣取值，對於加濕系統來說，尤其在 OA 低dew point 的狀況下，Air washer + steam 系統對蒸氣的節省狀況較為明顯。
X1，X2 皆大於等於0.5 的之結果如下圖所示 :
當X1，X2皆大於等於0.5時，蒸氣耗用的情況較為複雜。然而，就外氣低 dew point時來說，一般處於冬季較為寒冷時，亦為SO2較高之時段。此時必然用到水洗。因此，Air washer + steam 仍具有較大的優勢。
>> 結論
結論
1. 對於乾度大於0.5的狀況，現實中遭遇的機率相對較小。因為在此情況下，蒸氣的用量陡然上升，對於用戶來說此種加熱或蒸氣產生系統的效率實在太差，會造成蒸氣極大的浪費和運行費用的增多。因此，乾度小於0.5的情況下的運行方式，應是占絕大比例的。
2. 無論X1與X2的相對大小如何，以及X1與X2怎樣取值，尤其在外氣低dew point之狀況下，將Air washer + steam系統用於水洗和加濕較為節省蒸氣，是一種相對經濟有效的運行方式。
3. 另外，北方地區冬季寒冷而乾燥。若採用Air washer + steam之加濕形式，對於應對突變的天氣狀況更為有利。
4. 製程對於二氧化硫氣體具有敏感者，Air washer亦為一個很好去除裝置。本次經天津市環境監測中心以GB/T 16157-1996之標準進行檢測，其入口濃度為28.5μg/m3，而出口則為＜3μg/m3(檢出下限)，其去除率> 89.34%以上。