文丘利型蒸汽減溫器的設(shè)計與應(yīng)用

王 麗，葛震弘

(斯派莎克工程(中國)有限公司，上海 201114)

蒸汽是工業(yè)中應(yīng)用最為普遍的傳熱介質(zhì)。隨著節(jié)能減排的不斷深入，越來越多的蒸汽用戶選擇使用熱電廠提供的過熱蒸汽。然而，由于蒸汽的特性，絕大多數(shù)的工業(yè)過程中需要的是飽和蒸汽，而非過熱蒸汽。蒸汽減溫器的作用就是將過熱蒸汽變?yōu)轱柡驼羝?，使其更加適合工業(yè)生產(chǎn)、制造及換熱等的需求。

國內(nèi)外對減溫器的研究與設(shè)計由來已久，減溫器的種類也較多，程穎對各種蒸汽減溫器類型及優(yōu)缺點進行了論述，并對水滴蒸發(fā)的機理進行了研究[1]。Van Blarcom對通過控制冷卻水量實現(xiàn)過熱蒸汽減溫進行計算與討論[2]。劉銳指出若沒有良好的霧化效果，仍然無法達到預(yù)期的減溫效果[3]。減溫器結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，霧化效果越好，造價也越高。本文著重對本公司生產(chǎn)的文丘利型減溫器的結(jié)構(gòu)及原理進行介紹，討論了文丘利型減溫器的噴嘴、內(nèi)擴散器等重要內(nèi)件的設(shè)計計算，闡述了減溫減壓系統(tǒng)的組成，并結(jié)合實際應(yīng)用案例對減溫減壓系統(tǒng)的性能進行實測驗證。

1 文丘利型減溫器原理及結(jié)構(gòu)

文丘利型減溫器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部主要包括噴嘴、內(nèi)擴散器、主擴散器。一部分過熱蒸汽進入噴嘴，在噴嘴喉部被加速到很高的速度，冷卻水進入減溫器內(nèi)的環(huán)形內(nèi)腔后通過均勻分布的小孔噴入減溫器，噴射蒸汽混合著被霧化的冷卻水滴離開噴嘴，進入到內(nèi)部擴散器中形成飽和水霧；剩余的大部分過熱蒸汽進入內(nèi)擴散器外部的空間，與飽和水霧在主擴散器中混合，在減溫器下游的混合管道內(nèi)完成最后的減溫。

圖1 斯派莎克文丘利減溫器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 文丘利減溫器的內(nèi)件設(shè)計

文丘利型減溫器的內(nèi)件設(shè)計是保證減溫器工作效果的關(guān)鍵。過熱蒸汽通過噴嘴后產(chǎn)生的引射作用可以提高霧化效果[4]，同時還可以使冷卻水的給水壓力降低，避免能源浪費[5]。

2.1 噴嘴的設(shè)計計算

噴嘴計算的關(guān)鍵是確定其背壓，文丘利減溫器中的噴嘴采用的是亞音速噴嘴，背壓Pbz

(1)

其中，Vz表示噴嘴出口的速度，m/s；h1表示進入減溫器過熱蒸汽的比焓，J/kg；h2表示噴嘴出口處過熱蒸汽的比焓，J/kg。于是可以得到噴嘴出口的直徑為：

(2)

其中，dz表示噴嘴出口直徑，m；Msz表示進入噴嘴的蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；Ve表示過熱蒸汽的比容，m3/kg。

2.2 內(nèi)擴散器的設(shè)計計算

蒸汽與冷卻水滴的混合物進入到內(nèi)擴散器后，隨著內(nèi)擴散器中壓力的逐漸增大，冷卻水滴在此進一步被“撕扯”成為顆粒更小的水霧，從而達到良好的霧化效果。

內(nèi)擴散器實際是一個擴壓管，其出口的壓力需要恢復(fù)到與進口壓力相平衡，才可以使內(nèi)擴散器內(nèi)進一步霧化的冷卻水霧進入到主擴散器當(dāng)中。內(nèi)擴散器喉部的直徑為：

(3)

其中，di表示噴嘴出口直徑，m；Mw表示進入減溫器的冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；Vi表示內(nèi)擴散器喉部蒸汽與冷卻水混合物的比容，m3/kg；vi表示內(nèi)擴散器喉部蒸汽與冷卻水混合物的速度，m/s。

3 典型文丘利減溫器系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 典型的減溫(減壓)系統(tǒng)組成

為保證減溫器的使用效果，需要一個合理的系統(tǒng)來配合。一個典型的減溫(減壓)系統(tǒng)組成如圖2所示。通常包括：①蒸汽減壓閥，②減壓閥到減溫器進口的管段，③減溫器，④減溫器出口到溫度傳感器的直管段，⑤溫度傳感器，⑥溫度控制信號，⑦溫度控制器，⑧冷卻水控制閥，⑨壓力傳感器，⑩壓力控制器。

減溫減壓系統(tǒng)中使用自作用的減壓閥或氣動控制減壓閥，可以通過壓力傳感器反饋的壓力信號來調(diào)整減壓閥的開度，以平衡和補償減溫器由于節(jié)流帶來的壓力損失。

減壓閥到減溫器進口的直管段，是為了使經(jīng)過減壓閥這樣的節(jié)流裝置后，造成的強烈湍流對減溫器的使用造成影響。

圖2 典型減溫減壓系統(tǒng)組成示意圖

減溫器出口到溫度傳感器的長直管段，是冷卻水霧的蒸發(fā)段，該管段不設(shè)任何變徑、彎頭、閥門等阻力件，保證懸浮在蒸汽中的冷卻水霧完全蒸發(fā)。

冷卻水側(cè)使用氣動控制閥來控制冷卻水的進水量，以滿足不同工況條件下對冷卻水量的需求。通過安裝在減溫器混合直管段后的溫度傳感器測量減溫后蒸汽的溫度，由溫度控制器反饋信號來調(diào)節(jié)冷卻水控制閥的開度。由于飽和蒸汽的溫度是一定的，為了防止向管道中噴入過量的水，溫度傳感器的設(shè)定值應(yīng)該按照應(yīng)用的需求設(shè)置相應(yīng)的過熱度。

3.2 減溫(減壓)系統(tǒng)實際應(yīng)用

由于減溫器工作中包含有霧化、破碎、蒸發(fā)等等復(fù)雜過程，目前仍以測量作為較可信的研究手段[6]。以某廠家現(xiàn)場安裝的一套減溫減壓系統(tǒng)為例，對其應(yīng)用參數(shù)進行測量。

圖3 減溫減壓系統(tǒng)圖

要求將8barg、198℃的過熱蒸汽減溫減壓為4barg對應(yīng)的飽和蒸汽，設(shè)計質(zhì)量流量為2000-5000 kg/hr。依照熱平衡及減溫器內(nèi)件設(shè)計計算，確定減溫器選型，并在此基礎(chǔ)上對減溫減壓系統(tǒng)閥門與附件進行選型，系統(tǒng)圖如圖3所示。為實現(xiàn)冷卻水進水量的控制，避免過多的水進入系統(tǒng)，溫度控制器的設(shè)定溫度為4barg飽和蒸汽對應(yīng)的溫度加3℃，即155℃。

實測中，選擇三種流量工況分別為最大流量、最小流量及任意流量。在系統(tǒng)運行穩(wěn)定的條件下，分別讀取5分鐘內(nèi)流量、系統(tǒng)進出口壓力和溫度的數(shù)據(jù)，將獲得數(shù)據(jù)進行時間平均，得到該減溫減壓系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，如表1所示?？梢姡?jīng)過減溫減壓系統(tǒng)的蒸汽可以達到設(shè)計要求。

表1 減溫減壓系統(tǒng)實測參數(shù)

圖4 溫度傳感器的測量的溫度

圖4所示為在最大流量工況下溫度傳感器實測得到的溫度變化曲線。由于溫度傳感器測量的溫度會作為反饋信號輸入溫度控制器來調(diào)節(jié)冷卻水控制閥的開度。于是實際測得的溫度會以設(shè)定穩(wěn)定為中心周期性變化，其最大溫差為±2.5℃，確保經(jīng)過減溫器后溫度達到使用要求，同時又不會帶入大量的冷卻水。由于實際中測溫點與蒸汽使用點的距離較遠，經(jīng)過減溫減壓系統(tǒng)后剩余的過熱度可通過管道散熱來降低，以保證使用點處的蒸汽為飽和蒸汽，同時達到節(jié)能的目的。

4 結(jié)論

對本公司生產(chǎn)的文丘利型減溫器進行設(shè)計，并應(yīng)用現(xiàn)場實測驗證其性能，得到如下結(jié)論：

(1)通過計算設(shè)計文丘利型減溫器的內(nèi)件，可以達到更好的霧化效果，有利于冷卻水的蒸發(fā)。

(2)設(shè)計完整的減溫減壓系統(tǒng)，采用自作用減壓閥平衡系統(tǒng)中的壓力損失；利用氣動控制閥控制冷卻水的進水量，使減溫減壓后的蒸汽溫度和壓力均保持在設(shè)定值附近，并防止向管道中噴入過量的水，以達到節(jié)能的目的。

[1] Van Blarcom P P. Steam Temperature Control by Desuperheating [J]. ISA Transactions,1983(22):23-29.

[2] 劉銳，李巍.減溫減壓裝置中減溫器結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)，2003(4):30-31.

[3] 趙朋山，朱姍，王國賢.引射式噴射器應(yīng)用于螺旋霧化減溫器的可行性研究[J]. 鍋爐技術(shù)， 2011,42(2):22-25.

[4] 程穎. 過熱蒸汽飽和器的研究與設(shè)計[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2011.

[5] 王雙印.新型水噴射式減溫減壓裝置的開發(fā)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2010.

[6] 周華，范明豪，楊華勇.旋芯噴嘴高效霧化特性測量研究[J]. 機械工程學(xué)報，2004,40(8):110-114.