減溫器的類型與應(yīng)用

張振基，余博，蒲鑒

(1． 黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州 黔西 551500； 2． 東華工程科技股份有限公司，合肥 230024)

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減溫器的類型與應(yīng)用

張振基1，余博2，蒲鑒1

(1． 黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，貴州 黔西 551500； 2． 東華工程科技股份有限公司，合肥 230024)

摘要：減溫器的功能是將過熱蒸汽轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽或者過熱度較低的蒸汽，通過減溫水與過熱蒸汽的熱交換，降低過熱蒸汽溫度，最終達(dá)到熱平衡。通過相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，選擇合適的減溫器。介紹了常見減溫器的類型，分析了影響減溫效果的因素，提出了減溫器在選型及安裝過程中應(yīng)注意的問題，對(duì)減溫器的更好了解和使用有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：過熱蒸汽減溫器噴嘴霧化焓值

蒸汽作為熱源，廣泛應(yīng)用于電力、石化、化工、造紙、冶金、城市熱網(wǎng)等行業(yè)中。過熱蒸汽是指溫度高于飽和溫度的蒸汽，比飽和蒸汽具有更多的熱能和更高的比熱容。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到過熱蒸汽，而在最終使用端，常需要接近飽和狀態(tài)的蒸汽或過熱度較低的蒸汽，這時(shí)就需要精確的溫度控制來(lái)改善熱效率，消除調(diào)節(jié)過程中的意外過熱工況，保護(hù)下游產(chǎn)品免受過熱損壞，減溫器廣泛應(yīng)用于這些場(chǎng)合，其功能是將過熱蒸汽轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽或過熱度較低的蒸汽，大多數(shù)使用場(chǎng)合為過熱蒸汽轉(zhuǎn)化成飽和蒸汽。

1減溫器的工作原理

將減溫水通過減溫器送入蒸汽管道，通過減溫噴嘴將減溫水初級(jí)霧化，分散成小尺寸的水滴，因蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生的氣體動(dòng)力大于水分子的表面張力，初級(jí)霧化的水滴被進(jìn)一步擊碎，進(jìn)行二級(jí)霧化，形成水霧，與過熱蒸汽充分混合，吸收過熱蒸汽能量，霧化蒸發(fā)，降低蒸汽溫度，最終達(dá)到熱平衡，生成飽和蒸汽或過熱度較低的過熱蒸汽。

減溫器常見配置為減溫噴嘴、進(jìn)水調(diào)節(jié)閥、測(cè)溫元件及控制器，減溫噴嘴和進(jìn)水調(diào)節(jié)閥可以是一體式也可以是分體式。減溫器與減壓閥結(jié)合使用即減溫減壓器，常用于高壓過熱蒸汽減溫減壓場(chǎng)合。

減溫器典型帶儀表控制點(diǎn)的分體式和一體式流程如圖1和圖2所示。

圖1　減溫噴嘴和減溫水閥分體式流程示意

圖2　減溫噴嘴和減溫水閥一體式流程示意

1) 減溫水的流量計(jì)算。在過熱蒸汽減溫過程中，主要遵循熱焓平衡原理。“焓”是一個(gè)熱的動(dòng)態(tài)量，它是物質(zhì)內(nèi)部能量和其體積與壓力之積的和，即熱容量。根據(jù)熱焓平衡原理，減溫水可以采用如下公式進(jìn)行核算：

H1qm1+HWqmW+(qm1+qmW)H2

(1)

式中：H1——入口蒸汽操作狀態(tài)下的焓值，kJ/kg；HW——入口減溫水操作狀態(tài)下的焓值，kJ/kg；H2——出口蒸汽操作狀態(tài)下的焓值，kJ/kg；qm1——入口蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；qmW——入口減溫水質(zhì)量流量，kg/h。

根據(jù)式(1)則可得到：

(2)

其中狀態(tài)下的焓值(H1，H2，HW)可通過有關(guān)手冊(cè)查到。

2) 減溫噴嘴的CV值計(jì)算。減溫噴嘴的CV值計(jì)算和閥門CV值計(jì)算公式基本一致。

(3)

(4)

式中：qVW——減溫水的體積流量，m3/h；SG——減溫水比密度；Δp——建議的減溫器噴嘴兩端的壓差；ρW——操作狀況下減溫水密度，kg/m3。

2典型的減溫器類型

目前市場(chǎng)上的減溫器種類繁多，結(jié)構(gòu)多樣。主要分為兩類： 減溫水閥與噴嘴一體式結(jié)構(gòu)；減溫水閥與噴嘴分體式結(jié)構(gòu)。還有一種將減溫減壓功能組合在一起，稱為減溫減壓閥門式，使用在復(fù)雜工況下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用較高，此處不做闡述。

減溫水閥與噴嘴一體式減溫器具有獨(dú)立調(diào)節(jié)減溫水流量的能力，因而不需要額外配置減溫水閥，又稱為可調(diào)型減溫器。這種減溫器是通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)減溫器閥芯的高度，進(jìn)而控制噴嘴打開的開度，控制減溫水的流量。在要求減溫溫差較大的工況，一體式減溫器還有輔助蒸汽型。減溫噴嘴通常分為可變幾何形狀減溫噴嘴、固定幾何形狀減溫噴嘴、彈簧背壓式減溫噴嘴、幾何形狀輔助對(duì)夾式噴嘴、文丘里型減溫噴嘴、蒸汽輔助霧化減溫噴嘴。各個(gè)廠家還有不同結(jié)構(gòu)或不同名稱的減溫噴嘴。

利用高壓蒸汽來(lái)實(shí)現(xiàn)噴射水的快速和徹底的霧化。霧化的蒸汽壓力通常比主蒸汽管線壓力高兩倍或更多，輔助蒸汽在噴嘴腔體內(nèi)與水相遇，在那里膨脹的霧化蒸汽的能量被用來(lái)將水霧化成極小的水滴。這些更小的水滴可更快地轉(zhuǎn)化成蒸汽并可在很低的蒸汽流速下仍然呈懸浮狀態(tài)，從而徹底地汽化。該類型的減溫器能處理很高的負(fù)荷變化，可調(diào)比可達(dá)50∶1；但該類型的噴嘴需要高壓輔助蒸汽和額外的管道、設(shè)備連接，相對(duì)費(fèi)用較高。

3影響減溫效果的因素

在實(shí)際應(yīng)用中，影響減溫效果的因素很多，主要有以下幾方面。

kw_jieba = list（jieba.cut（text,cut_all=False, HMM=False）） #分詞

1) 霧化后水滴的大小。實(shí)驗(yàn)證明，一滴直徑20μm的水滴完全蒸發(fā)需要的時(shí)間為0.01s，而一滴200μm的水滴完全蒸發(fā)需要的時(shí)間為1s，即水滴的尺寸增大了10倍，而蒸發(fā)所需要的時(shí)間卻增加了100倍。由此可見水滴尺寸與蒸發(fā)時(shí)間成平方關(guān)系，對(duì)霧化效果的影響很大。因此，減溫器必須很好地控制水滴尺寸，主要有兩種方法： 控制噴射速度；控制噴射方向。如果霧化效果控制不好，則會(huì)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，達(dá)不到減溫效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞管道。

2) 管道尺寸和蒸汽速度。水滴需要足夠的時(shí)間蒸發(fā)，如果蒸汽速度太慢，其流動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力小于水分子的表面張力時(shí)，水滴不會(huì)分裂，不會(huì)持續(xù)保持懸浮，將會(huì)落在管壁上，引起溫度控制不穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)管道產(chǎn)生水擊破壞。實(shí)驗(yàn)證明，蒸汽的水滴直徑在0.25～0.30mm時(shí)，需要保證蒸汽流速為30～76m/s。

3) 蒸汽管道直管段。如直管段太短，水滴無(wú)法完全霧化，水滴會(huì)在彎管區(qū)域因流向變化直擊管道，產(chǎn)生動(dòng)力干擾，出現(xiàn)水擊，并且會(huì)慢慢聚積，最終導(dǎo)致溫度無(wú)法控制。

4) 測(cè)溫元件的安裝位置。測(cè)溫點(diǎn)的位置離減溫器的距離以水滴完全氣化為準(zhǔn)。離減溫器太近，水滴無(wú)法完全霧化，檢測(cè)點(diǎn)溫度不能真實(shí)反應(yīng)減溫后的蒸汽溫度，導(dǎo)致蒸汽減溫失控；離減溫器過遠(yuǎn)，導(dǎo)致溫度響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，引起溫度控制不穩(wěn)定。安裝位置與如下幾個(gè)因素有關(guān)：

a) 噴水量與蒸汽量的比值。一般減溫水與蒸汽比值小于15%時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)的位置離減溫器的距離為0.2倍最大蒸汽流速；減溫水與蒸汽比值大于15%時(shí)，測(cè)溫點(diǎn)的位置離減溫器的距離為0.3倍最大蒸汽流速。

b) 想要降低的溫度與蒸汽飽和溫度的接近程度。在實(shí)際工藝過程中，不可能降低到飽和蒸汽溫度，這樣會(huì)有大量水滴形成，導(dǎo)致無(wú)法控制溫度。

c) 蒸汽流速越小，測(cè)溫點(diǎn)離減溫器的安裝距離越遠(yuǎn)。一般蒸汽流速小于30m/s時(shí)，安裝距離不得小于12m?？傊?，測(cè)溫元件安裝距離除了減溫水和蒸汽的本身狀態(tài)有關(guān)，還與減溫器的類型和制造商有關(guān)。

6) 減溫水的壓力。根據(jù)減溫器類型和制造商不同，要求減溫水的最小壓力也各不相同，壓力過低會(huì)導(dǎo)致減溫水無(wú)法噴入蒸汽管道。

4設(shè)計(jì)選型和安裝使用中需注意的問題

1) 減溫器的安裝條件需有足夠的直管段，測(cè)溫元件需安裝在合適的位置。

2) 蒸汽進(jìn)出口溫差較大、噴水較多的場(chǎng)合，需選擇合適類型的減溫器，或采用多級(jí)減溫器。在減溫水與蒸汽比超過15%時(shí)就要慎重選擇減溫器類型，一般可采用蒸汽輔助霧化減溫噴嘴、多級(jí)減溫器或其他特殊類型減溫器，根據(jù)各制造商而異。如采用多級(jí)減溫，會(huì)增加一套減溫器和減溫水閥，同時(shí)需要更多的直管段要求，設(shè)備費(fèi)用也會(huì)隨之上升。

3) 對(duì)于減溫器本身噴水量有最小要求，不是所有小流量的蒸汽都能使用減溫器，這種情況下只有采用加大過熱蒸汽量，產(chǎn)生過多的減溫蒸汽送至相應(yīng)的蒸汽管網(wǎng)或直接排放。如在某項(xiàng)目中，要求將溫度545℃，壓力4.1MPa，最小質(zhì)量流量186kg/h的過熱蒸汽減溫至252℃，減溫水為104℃，5.6MPa，在選型中詢問多家制造商，最低可調(diào)蒸汽流量只能在400kg/h左右，在此情況下，減溫器只能按最小流量400kg/h選型，而工藝操作實(shí)際需要最小蒸汽流量為186kg/h，因而過剩的蒸汽需送至相應(yīng)壓力等級(jí)的蒸汽管網(wǎng)或放空。

4) 減溫系統(tǒng)大多數(shù)是為飽和蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但減溫器的材質(zhì)和壓力等級(jí)需能承受過熱蒸汽狀態(tài)下的溫度和壓力，同時(shí)應(yīng)與減溫水管道壓力等級(jí)保持一致。

5) 減溫水流過控制閥會(huì)產(chǎn)生壓力降，當(dāng)減溫水的溫度接近飽和溫度時(shí)，應(yīng)確保通過控制閥的壓降不至于使減溫水閃蒸，防止閥門氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。

6) 一般應(yīng)在減溫器下游管道安裝疏水器，防止不能完全霧化的減溫水聚積后對(duì)管道或下游設(shè)備產(chǎn)生破壞。

7) 在實(shí)際使用中，安裝方向及位置經(jīng)常被忽略，正確的安裝方向及位置可能比減溫器本身產(chǎn)生更大的影響。主要包括管道連接件、彎頭和其他類型的存在于噴水點(diǎn)下游的管道阻擋物的位置；在安裝時(shí)還要注意流向，應(yīng)按設(shè)備上標(biāo)示的流向安裝。

8) 在實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)試減溫器控制回路應(yīng)注意相應(yīng)參數(shù)的設(shè)定，特別需要考慮微分時(shí)間，具體參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作情況設(shè)定。微分即誤差的變化速率，誤差變化越快，其微分絕對(duì)值越大。誤差增大時(shí)，其微分為正；誤差減小時(shí)，其微分為負(fù)?？刂破鬏敵隽康奈⒎植糠峙c誤差的微分成正比，反映了被控量變化的趨勢(shì)。有經(jīng)驗(yàn)的操作人員在溫度上升過快，但是尚未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，根據(jù)溫度變化的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)溫度將會(huì)超過設(shè)定值，出現(xiàn)超調(diào)，于是調(diào)節(jié)給水閥，提前減小給水閥門開度。

5結(jié)束語(yǔ)

減溫器在生產(chǎn)中經(jīng)常使用，需要根據(jù)具體工況選用合適類型的減溫器，才能保證過熱蒸汽按要求轉(zhuǎn)化為合適的蒸汽，保證蒸汽管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

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Type and Application of Desuperheater

Zhang Zhenji1， Yu Bo2， Pu Jian1

(1. Qianxi Coal Chemical Investment Co. Ltd.， Qianxi， 551500，China;

2. East China Engineering Science and Technology Co. Ltd.， Hefei ，230024， China)

Abstracts： The function of desuperheater is to convert superheated steam into saturated steam or low temperature superheated steam. The temperature of superheated steam is reduced through heat exchange between warm water and superheated steam to reach heat balance eventually. Suitable desuperheater is selected by calculating relative parameters. Problems about selection and installation of desuperheater are presented with introduction of types of desuperheater and evaluation of factors affecting temperature reduction， which help to understand and use it better.

Key words：superheated steam; desuperheater; nozzle; atomization; enthalpy

中圖分類號(hào)：TK223.3+7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0073-03

作者簡(jiǎn)介：張振基(1966—)，男，1988年畢業(yè)于蘭州大學(xué)，現(xiàn)就職于黔希煤化工投資有限責(zé)任公司，負(fù)責(zé)設(shè)備管理工作，任高級(jí)工程師。

稿件收到日期：2015-08-29。