減溫器的選擇與設(shè)計

1、減溫器的選擇與設(shè)計 圖1 蒸汽溫度與壓力的關(guān)系隨著熱電聯(lián)產(chǎn)的普及，越來越多的企業(yè)會購買使用熱電廠產(chǎn)生的蒸汽，為了滿足鍋爐高效運行以及遠(yuǎn)距離輸送等要求，蒸汽往往是過熱蒸汽。而過熱蒸汽由于其某些特性，往往不適合運用于換熱設(shè)備。本文介紹了過熱蒸汽的特點以及如何通過選擇合適的減溫系統(tǒng)產(chǎn)生高品質(zhì)的飽和蒸汽至用汽點。在現(xiàn)代工業(yè)中，減溫器主要應(yīng)用于以下區(qū)域：電廠減溫器主要用于將來自汽輪機旁路系統(tǒng)的過熱蒸汽溫度降低到有效的溫度水平供電廠內(nèi)其他需要使用飽和蒸汽的設(shè)備。制程工業(yè)作為減溫減壓站的一部分，將來自鍋爐或熱電廠的過熱蒸汽減溫減壓至設(shè)備需要的工況。這些制程包括：食品、紡織、煙草、釀造、造紙、化工、制藥、石化

2、等等。 圖2 典型的接觸式減溫器的安裝過熱蒸汽：過熱蒸汽是指溫度高于飽和溫度的蒸汽。高于飽和溫度的部分稱為過熱度。由于蒸汽的比容同壓力成反比，因此為了節(jié)約輸送管線及閥件的成本，同時減少輸送過程中的壓損，蒸汽系統(tǒng)一般會采用高壓輸送，為了滿足設(shè)備和工藝要求，高壓的干飽和蒸汽在進(jìn)入用汽點前被減至低壓，而減壓則在下游產(chǎn)生過熱度，飽和蒸汽轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽。此外，為了遠(yuǎn)距離輸送蒸汽，鍋爐產(chǎn)生過熱度極高的過熱蒸汽，若鍋爐房供出的蒸汽未經(jīng)減溫減壓，直接送至供熱用汽點，則會造成蒸汽過熱。過熱蒸汽具有以下特點：相同壓力下的飽和溫度高；比飽和蒸汽含有更多的熱量；比飽和蒸汽具有更大的比容。 圖3 蒸汽和水的換熱過程由于

3、：過熱蒸汽的溫度比飽和蒸汽高，其溫度數(shù)值和蒸汽壓力沒有一一對應(yīng)關(guān)系。過熱蒸汽的焓比飽和蒸汽高，相同質(zhì)量的過熱蒸汽包含必飽和蒸汽更多的熱量，但是大部分熱量是蒸發(fā)焓，過熱部分的熱量僅占很小一部分。過熱蒸汽的定壓放熱過程分為“過熱蒸汽冷卻放熱變?yōu)轱柡驼羝柡驼羝Y(jié)放熱變?yōu)轱柡退眱蓚€階段，放熱過程比飽和蒸汽長。過熱蒸汽的對流傳熱系數(shù)大大低于飽和蒸汽，傳熱速率低，同使用飽和蒸汽相比，使用過熱蒸汽需要的換熱設(shè)備更大，等級更高，更加昂貴。因此，過熱蒸汽通常不適合用于一般制程應(yīng)用的換熱過程，在進(jìn)入設(shè)備之前，需要將過熱蒸汽減溫至飽和。 圖4 管束式減溫器系統(tǒng)過熱蒸汽的減溫過程中，蒸汽和水的換熱過程可以用下面

4、的熱平衡方程來表示：Mg×（Hi-Hd）=Mc×（Hd-Hc）因此，減溫過程所需要的冷卻水量為：Mc=（Mg×（Hi-Hd）/（Hd-Hc）各種不同型式的減溫器 減溫器的原理很簡單，即用低溫介質(zhì)冷卻過熱蒸汽。但減溫器的型式不盡相同。管束式減溫器 實際上是一種管殼式換熱器，過熱蒸氣在一側(cè)，冷卻介質(zhì)在另一側(cè)。第一段換熱器的殼兩端封閉，而在出口側(cè)底部封閉頂部打開。浮動頭使殼的兩側(cè)壓力平衡。 冷卻液是出于飽和溫度和壓力下的水，過熱蒸氣一次進(jìn)入第一組合第二組管側(cè)，放出熱量給水，部分水吸收熱量后汽化。汽化的水通過浮動頭然后積聚在殼的外側(cè)，然后通過殼末端的開口處和減溫后的蒸汽混

5、合。 圖6 噴霧型減溫器系統(tǒng)水浴式減溫器 水浴式減溫器是一種最簡單的減溫器，過熱蒸汽直接噴入水浴室，多余的熱量使水表面產(chǎn)生飽和蒸汽，用壓力控制器維持容器內(nèi)的壓力恒定，因此下游可以得到飽和溫度和壓力下的蒸汽。 由于過熱蒸汽含有的熱量比飽和蒸汽多，產(chǎn)生的飽和蒸汽比實際的過熱蒸汽多，水位會下降。因此需要對液位進(jìn)行控制，使液位保持恒定。圖5為典型的水浴式減溫器的系統(tǒng)圖。 值得注意的是，水浴式減溫器可以產(chǎn)生飽和蒸汽，但是蒸汽的干度往往需要注意。水浴式減溫器往往屬于壓力容器的范圍，需要進(jìn)行年檢。噴霧型減溫器 噴霧型減溫器使用最廣泛，噴嘴將很細(xì)的冷卻水霧噴入過熱蒸汽，水吸收過熱蒸汽的熱量蒸發(fā)成蒸汽，過熱蒸汽

6、被降溫。噴霧型減溫器根據(jù)冷卻水引入的方式不同有不同的形式，下圖是最典型的噴霧型減溫器。 圖7 文丘利型減溫器系統(tǒng) 值得注意的是：如果冷卻水霧化后有水滴滲出，會在管道上產(chǎn)生熱應(yīng)力引起管道破裂，因此需要使用內(nèi)部的熱套管來防止管道破裂以及沖蝕。文丘利型減溫器 文丘利型減溫器利用管道對過熱蒸汽節(jié)流，過熱蒸汽在冷卻水噴入點產(chǎn)生高速流動和紊流，使冷卻水和過熱蒸汽充分混合以提高減溫過程的效率。 減溫過程包括兩個獨立的過程：第一階段在內(nèi)部擴(kuò)散器內(nèi)，部分過熱蒸汽在內(nèi)部噴嘴內(nèi)被加速，將噴入擴(kuò)散器的冷卻水進(jìn)行霧化。第二階段是來自內(nèi)部擴(kuò)散器的飽和水霧同余下的蒸氣在主擴(kuò)散器內(nèi)混合。主擴(kuò)散器本身通過對過熱蒸汽限流產(chǎn)生較高

7、的流速，以產(chǎn)生強烈的湍流，完成第二階段的減溫。 雙文丘利管的設(shè)計使冷卻水和管道內(nèi)壁接觸的可能性降低到最小，具有最小的管道沖蝕和最大的減溫效果。 文丘利型減溫器在調(diào)節(jié)比大時，對于冷卻水的壓力有一定的要求，同時文丘利減溫器對也會產(chǎn)生一定的壓降。蒸汽霧化型減溫器 蒸汽霧化型減溫器原理是使用輔助的高壓蒸汽對噴入的冷卻水進(jìn)行霧化，如下圖所示。 減溫過程分成兩個階段：第一決斷在擴(kuò)散器內(nèi)，冷卻水被高壓霧化蒸汽霧化，輔助的霧化蒸汽的壓力至少為減溫器進(jìn)口壓力的1.5倍，流量一般為主蒸汽流量的2%5%之間。由于霧化蒸汽的使用，冷卻水可以以更低的壓力被引入擴(kuò)散器內(nèi)，通常冷卻水的壓力只要比過熱蒸汽壓力高即可。第二階段

8、，來自擴(kuò)散器的水霧和主管道內(nèi)的蒸汽混合。蒸發(fā)過程發(fā)生在減溫器的出口管道內(nèi)，在出口管道內(nèi)殘留的水分懸浮在蒸汽中并逐漸蒸發(fā)。 蒸汽霧化型減溫器可以滿足更大的調(diào)節(jié)比，對冷卻水的壓力要求也沒有那么高，產(chǎn)生的壓力降也基本可忽略。 圖8 蒸汽霧化型減溫器系統(tǒng)一體式減溫減壓閥 由于減溫的同時常常伴有減壓，有時候會將減溫器和減壓閥做成一體式的。 減壓功能類似于標(biāo)準(zhǔn)的減壓閥，通常會用球型閥的型式，帶有平衡裝置。但是同前面所不同的是，一體式的減溫減壓帶有運動部件，需要定期進(jìn)行維護(hù)。選擇減溫器所要考慮的因素 調(diào)節(jié)比、壓力降和過熱度是減溫器的設(shè)計和選型時所要考慮的最重要的三個因素，同時這三個因素也會在減溫器的選型時互

9、相影響，需要根據(jù)應(yīng)用要求來綜合考慮。調(diào)節(jié)比 調(diào)節(jié)比是指減溫器可以處理的最大流量同最小流量的比值。 Tr=Mmaximum / Mminimum 實際上，任何進(jìn)口壓力、溫度或流量的變化會引起冷卻水量的變化，因此，一個特定的減溫器有兩個調(diào)節(jié)比值：蒸汽調(diào)節(jié)比和冷卻水調(diào)節(jié)比。雖然這兩個調(diào)節(jié)比值相互影響，但通常這兩個值各不相同，它們的關(guān)系取決于過熱蒸汽的溫度、冷卻水的溫度和需要達(dá)到的減溫狀態(tài)。 圖9 一體式減溫減壓閥系統(tǒng)壓力降 壓力最主要的決定因素是減溫器的型式，因此不同應(yīng)用下的壓力降可以很大，也可能忽略不計。很多時候減溫器會同減壓站同時使用，這樣可以實現(xiàn)在減壓時的同時將減壓閥的壓力降和減溫器的壓力降考

10、慮在內(nèi)。但對于單獨減溫的應(yīng)用，壓力降就是一個比較重要的考慮因素。通常，500kPa的壓力降是一個比較合理的值。 一般來說，在設(shè)計減溫器時，低壓力降和高調(diào)節(jié)比是相互矛盾的。高的調(diào)節(jié)比意味著在最大流量下的壓降會很高。如果在選擇減溫器時減小壓力降，同時也會減小減溫器的調(diào)節(jié)能力。出口過熱度 對于用戶來說，希望通過減溫器得到的是飽和蒸汽，但是幾乎所有的減溫器只能將出口的蒸汽控制在接近飽和，一般為310。這不僅僅取決于減溫器的型式，也取決于整個控制系統(tǒng)的精度。如果將溫度控制在飽和溫度，由于飽和蒸汽的溫度同飽和水的溫度是相同的，因此無法保證出口能得到干燥的飽和蒸汽。 其他需要考慮的因素還有可供水壓，吸收距離

11、等等，因此需要綜合考慮多個因素來選擇一臺合適的減溫器。圖10 典型的管線式減溫器的安裝布置減溫系統(tǒng)中冷卻水的特性 冷卻水的特性在減溫系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，如果使用品質(zhì)不好的冷卻水，不僅冷卻效果不好，同時也有可能在運行一段時間后導(dǎo)致減溫器失效。冷卻水的特性包括以下幾個方面： 溫度，使用高溫的冷卻水減溫效果比使用低溫冷卻水好，因此冷卻水的溫度越接近飽和越好。 品質(zhì)，高溫下，冷卻水中的可溶固體會在閥門表面、減溫器的噴嘴和減溫器下游管道的內(nèi)壁上沉淀，因此必須要控制冷卻水的TDS值，以除鹽水或冷凝水為佳。 壓力和流量，冷卻水的壓力和噴嘴的面積決定進(jìn)入減溫器的冷卻水量，為保證良好的減溫效果，必須保證有足夠的

12、水壓和水量。 控制，水通過控制閥不可避免產(chǎn)生壓力降，當(dāng)冷卻水的溫度接近飽和溫度時，控制閥有可能會產(chǎn)生汽蝕，應(yīng)注意避免。 因此，必須選擇合適的冷卻水，來保證整個減溫系統(tǒng)的高效運行。減溫系統(tǒng)的安裝 減溫系統(tǒng)常常伴隨著減壓，因此減溫系統(tǒng)的安裝也會影響到最終整個減溫減壓系統(tǒng)的運行效果。因此必須按照減溫器廠家的要求進(jìn)行安裝，保證足夠的直管道來吸收冷卻水，同時溫度和壓力變送器的安裝位置一定要考慮到吸收距離、壓損等因素。下圖是典型的減溫減壓系統(tǒng)的安裝圖。 整個系統(tǒng)的安裝需要考慮因素：過熱蒸汽的壓力控制 如果過熱蒸汽的供汽壓力提高，那么飽和溫度也相應(yīng)提高。但如果冷卻水控制器的設(shè)定溫度沒有變化，可能會噴入過度的冷卻水，從而產(chǎn)生濕蒸汽。 因此如果對過熱蒸汽進(jìn)行壓力控制，即使在上游壓力變化的工況下，也能保持一個穩(wěn)定的減溫器進(jìn)汽壓力。 用于控制過熱蒸汽壓力的壓力感應(yīng)器最好能安裝在使用點，這樣壓力控制閥能補償任何在減溫器和使用點之間的壓力損失。溫度感應(yīng)器的位置 溫度感應(yīng)器的位置很重要，如果感應(yīng)器同噴水點的距離過近，蒸汽和水尚沒有充分混合，感應(yīng)器可能給出錯誤的輸出。如果距離過遠(yuǎn)，這樣會增加不必要的安裝距離。 最小安裝距離因減溫器而異，通常與需要的出口溫度和進(jìn)口溫度或冷卻水的溫度之間的差有關(guān)。汽水分離器 減溫器下游管道的高效疏