蒸汽的絕熱節(jié)流與應(yīng)用探討

沈粹卿，曹偉偉

（江蘇中建致遠(yuǎn)工程技術(shù)有限公司，江蘇揚(yáng)州225115）

目前余熱鍋爐已經(jīng)在硫酸行業(yè)普遍應(yīng)用，所產(chǎn)蒸汽有飽和蒸汽和過熱蒸汽兩種，蒸汽壓力均為中壓。飽和蒸汽一般在減壓后供化工裝置使用，過熱蒸汽一般用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或工業(yè)機(jī)泵。中壓蒸汽一般在減壓后供至壓力低于1.0 MPa的低壓蒸汽管網(wǎng)。過熱蒸汽在遇到設(shè)備停用而鍋爐繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，要通過減溫減壓后供至低壓蒸汽管網(wǎng)，因此蒸汽絕熱節(jié)流過程是常見的生產(chǎn)過程。

1 絕熱節(jié)流過程原理分析

氣體在管道的流動(dòng)過程中，由于受到局部阻力（如減壓閥等）而壓力下降，而氣體與外界并沒有熱交換，這種現(xiàn)象稱為絕熱節(jié)流，簡稱為節(jié)流[1]。

氣體節(jié)流截面示意見圖1。

圖1 氣體節(jié)流截面示意

氣體在接近孔口時(shí)截面積突然縮小，流速迅速增加。經(jīng)過孔口之后，截面積又逐漸擴(kuò)大，流速又漸漸減低。由于各截面上的焓與動(dòng)能總值不變，即是定值，故氣體的焓值在接近孔口時(shí)將減小，而流過孔口后又逐漸增加。因?yàn)橛袕?qiáng)烈的擾動(dòng)，氣體狀態(tài)是極不平衡的，不能用熱力學(xué)方法加以分析。但在距孔口較遠(yuǎn)的地方，如圖1截面1-1和2-2，氣體的狀態(tài)是平衡的，對此兩截面用絕熱流動(dòng)的能量守恒式表示，可得：

式中：i——?dú)怏w的焓；

C——?dú)怏w流速；

g——重力加速度；

A——熱功當(dāng)量系數(shù)。

在工業(yè)生產(chǎn)情況下，C1與C2的差別不大，與i和i相比極小，可忽略不計(jì)，于12是就得到式(2)：

這表明在經(jīng)過節(jié)流之后，氣體的焓仍回到原值，這為后續(xù)討論奠定了基礎(chǔ)。

2 節(jié)流后的溫度變化

對于理想氣體i=f(T)，故焓值不變，則溫度也不變。對于實(shí)際氣體，特別是蒸汽，問題要復(fù)雜得多。節(jié)流后氣體的溫度可以降低、升高或者不變，要依節(jié)流時(shí)氣體所處的狀態(tài)而定。

節(jié)流不引起溫度變化時(shí)的氣流溫度稱為轉(zhuǎn)回溫度T(轉(zhuǎn))。若氣體在節(jié)流前氣體的溫度低于轉(zhuǎn)回溫度，節(jié)流后溫度將降低；若節(jié)流前氣體的溫度高于轉(zhuǎn)回溫度，節(jié)流后溫度將升高。

資料[2]提出，在簡化條件下可導(dǎo)得：

T(臨)為氣體的臨界溫度，可從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料查得。按式(3)可以近似估算各種氣體的轉(zhuǎn)回溫度。對于一般臨界溫度不太低的氣體，T(轉(zhuǎn))有很高的數(shù)值。故在通常溫度下，大多數(shù)氣體在節(jié)流后溫度是降低的。水蒸氣的臨界參數(shù)為：溫度374.15 ℃、壓力 22.57 MPa。按式 (3)計(jì)算，水蒸氣 T(轉(zhuǎn))為 2 525 ℃，溫度極高，遠(yuǎn)高于工程上的使用溫度。所以水蒸氣節(jié)流后的溫度是降低的。

因節(jié)流是不可逆的絕熱過程，所以蒸汽節(jié)流后的熵值總是增加的，即節(jié)流后蒸汽的工作能力必然減小。

3 水蒸氣的節(jié)流過程

利用水蒸氣的焓-熵圖（i-s圖）可以很方便地計(jì)算出節(jié)流后的蒸汽參數(shù)，詳見圖2。

圖2 水蒸氣的焓-熵圖

在圖2中，節(jié)流前狀態(tài)是點(diǎn)1，參數(shù)為t1、p1，從點(diǎn)1作S軸的水平線與節(jié)流后的壓力為p2的定壓線相交于點(diǎn)2，此即節(jié)流后的狀態(tài)點(diǎn)（i1=i2），可見溫度t2低于t1。由圖2還可見S2＞S1，即熵是增加的。

3.1 飽和蒸汽的節(jié)流

某鍋爐的運(yùn)行參數(shù)為2.4 MPa的飽和蒸汽，從資料[2]可查得 T(飽)=220.75 ℃，相應(yīng)參數(shù)為：比容為 0.084 86 m3/kg，焓值為 2 797.256 kJ/kg，熵值為6.302 186 kJ/(kg·K)。需要把蒸汽節(jié)流后降壓到0.8 MPa（供氣到 1.0 MPa的管網(wǎng)）。查 0.8 MPa 的飽和蒸汽溫度為169.6 ℃。

圖2上從點(diǎn)1作等焓線與p2=0.8 MPa的等壓線交于點(diǎn)2，查得對應(yīng)的蒸汽溫度為172 ℃，熵值 為 6.729 8 kJ/(kg·K)， 蒸 汽 溫 度 降 低 8.75 ℃，熵值增加0.418 kJ/(kg·K)，此蒸汽對于0.8 MPa的飽和蒸汽已經(jīng)是過熱蒸汽，過熱溫度為2.4 ℃，對管道沒有任何影響。

節(jié)流后蒸汽的比容會(huì)增大，0.8 MPa飽和蒸汽的比容為0.242 8 m3/kg，為節(jié)流前蒸汽的2.88倍。在保持蒸汽流速相同的條件下，低壓蒸汽管道的截面積要相應(yīng)增大。如果原低壓管網(wǎng)留有較大余地，就不需要增大。節(jié)流裝置可通過設(shè)置2道減壓閥來實(shí)現(xiàn)。為保證低壓管網(wǎng)的安全，在低壓管網(wǎng)進(jìn)口要安裝1.0 MPa的安全閥。

筆者原工作的南京化學(xué)工業(yè)公司氮肥廠硫酸車間有2套100 kt/a硫鐵礦制酸裝置，所配余熱鍋爐生產(chǎn)2.0 MPa飽和蒸汽（飽和溫度211 ℃），通過2道人工節(jié)流調(diào)節(jié)閥減壓到0.8 MPa（節(jié)流后溫度183 ℃），供全廠低壓管網(wǎng)。筆者參與建設(shè)的東南亞某國50 t/d硫磺制酸裝置，余熱鍋爐產(chǎn)1.3 MPa的飽和蒸汽（飽和溫度191 ℃)，通過PN2.5、DN80的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥減壓到0.6 MPa（ 節(jié)流后溫度171 ℃）供車間熔硫裝置使用。以上裝置在低壓管網(wǎng)進(jìn)口都安裝1.0 MPa的安全閥。

3.2 過熱蒸汽的節(jié)流

某鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，參數(shù)為 3.5 MPa、440 ℃，現(xiàn)要節(jié)流減壓至0.8 MPa。按相同的節(jié)流過程，可查得節(jié)流后的蒸汽溫度為422 ℃，溫度降低18 ℃，熵值也相應(yīng)增加。當(dāng)然，過熱蒸汽是不能節(jié)流減壓的，因節(jié)流后的溫度高達(dá)422 ℃，遠(yuǎn)高于0.8 MPa的蒸汽飽和溫度，過熱度達(dá)252 ℃，遠(yuǎn)高于低壓管網(wǎng)的參數(shù)要求。如果要降壓供至低壓管網(wǎng)，必須設(shè)置減溫減壓裝置，用噴水來降低蒸汽參數(shù)。

筆者通過計(jì)算，用102 ℃的給水來減溫，每噸過熱蒸汽需要噴入 223 kg 水，生成 122 3 kg 的 0.8 MPa飽和蒸汽。

4 結(jié)論

1）蒸汽通過節(jié)流可完成減壓，節(jié)流后蒸汽溫度下降。

2）飽和蒸汽節(jié)流后可直接通過減壓閥實(shí)現(xiàn)減壓減溫。

3）過熱蒸汽節(jié)流減壓，要增設(shè)減溫減壓裝置，通過噴水實(shí)現(xiàn)減溫減壓。