減溫器的設計與應用

2024-10-17 14:32:45

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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其他需要使用飽和蒸汽的設備。

減溫減壓是將來自鍋爐或熱電廠的過熱蒸汽減溫減壓至設備需要的工況，主要應用于食品、紡織、煙草、釀造、造紙、化工、制藥、石化等等。

一、什么是過熱蒸汽

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至使用點，為了滿足設備和工藝要求，高壓的干飽和蒸汽在進入用汽點前被減至低壓，而減壓則在下游產生過熱度，因此飽和蒸汽轉化為過熱蒸汽。此外，為了遠距離輸送蒸汽，鍋爐產生過熱度極高的過熱蒸汽，若鍋爐房供出的蒸汽未經減溫減壓，直接送至供熱用汽點，則造成蒸汽過熱。

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。

因為1、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關系。

2、過熱蒸汽的焓比飽和蒸汽高，相同質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。

3、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放熱變?yōu)轱柡退眱蓚€階段，放熱過程比飽和蒸汽長。

4、過熱蒸汽的對流傳熱系數(shù)α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備更大，等級更高，更加昂貴。

所以，過熱蒸汽通常不適合用于一般制程應用的換熱過程，在進入設備之前，需要將過熱蒸汽減溫至飽和。

二、蒸汽減溫的基本方式

蒸汽的減溫過程是指將過熱蒸汽的溫度降低到飽和，或者減小蒸汽的過熱度。一般有兩種基本的減溫器形式：

非接觸式：冷卻介質同被冷卻的過熱蒸汽不直接接觸。溫度較低的氣體、液體均可，如各種型式的換熱器就可以看作是非接觸式減溫器。

接觸式：用來冷卻過熱蒸汽的介質直接和過熱蒸汽接觸。通常冷卻介質為水。

三、不同類型的減溫器

1. 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，冷卻介質在另一側。第1段換熱器的殼兩端封閉，而在出口側底部封閉頂部打開。浮動頭使殼的兩側壓力平衡。冷卻液是出于飽和溫度和壓力下的水，過熱蒸氣一次進入第1組合第二組管側，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，然后通過殼末端的開口處和減溫后的蒸汽混合。

2.水浴式減溫器

水浴式減溫器是一種簡單的減溫器，過熱蒸汽直接噴入水浴室，多余的熱量使水表面產生飽和蒸汽，用壓力控制器維持容器內的壓力恒定，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，因此產生的飽和蒸汽比實際的過熱蒸汽多，水位會下降。因此需要對液位進行控制，使液位保持恒定的值。下圖是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生飽和蒸汽，但是蒸汽的干度往往需要注意。但是水浴式減溫器往往屬于壓力容器的范圍，需要進行年檢。

3. 噴霧型減溫器

噴霧型減溫器使用廣泛，噴嘴將很細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，下圖是典型的噴霧型減溫器。值得注意的是：如果冷卻水霧化后有水滴滲出，會在管道上產生熱應力引起管道破裂，因此需要使用內部的熱套管來防止管道破裂以及沖蝕。

4. 文丘里型減溫器

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1階段在內部擴散器內，部分過熱蒸汽在內部噴嘴內被加速，將噴入擴散器的冷卻水進行霧化。第二階段是來自內部擴散器的飽和水霧同余下的蒸氣在主擴散器內混合。主擴散器本身通過對過熱蒸汽限流產生較高的流速，以產生強烈的湍流，完成第二階段的減溫。雙文丘利管的設計使冷卻水和管道內壁接觸的可能性降低到小，具有小的管道沖蝕和大的減溫效果。文丘利型減溫器在調節(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生一定的壓降。

5. 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行霧化。減溫過程分成兩個階段：第1決斷在擴散器內，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散器內，通常冷卻水的壓力只要比過熱蒸汽壓力高即可。

第二階段，來自擴散器的水霧和主管道內的蒸汽混合。蒸發(fā)過程發(fā)生在減溫器的出口管道內，在出口管道內殘留的水分懸浮在蒸汽中并逐漸蒸發(fā)。因此，蒸汽霧化型減溫器可以滿足更到的調節(jié)比，對冷卻水的壓力要求也沒有那么高，產生的壓力降也基本可忽略。

6. 一體式減溫減壓閥

由于減溫的同時會常常伴有減壓，有時候會將減溫器和減壓閥做成一體式的。減壓功能類似于標準的減壓閥，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，需要定期進行維護。

四、如何選用減溫器

調節(jié)比、壓力降和過熱度是減溫器的設計和選型時所要考慮的重要的三個因素，同時這三個因素也會在減溫器的選型時互相牽制，因此需要根據(jù)應用要求來綜合考慮。

1、調節(jié)比

調節(jié)比是指減溫器可以處理的大流量同小流量的比值。實際上，任何進口壓力、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節(jié)比值：蒸汽調節(jié)比和冷卻水調節(jié)比。雖然這兩個調節(jié)比值是相互影響的，但通常這兩個值是不一樣的，它們的關系取決于過熱蒸汽的溫度、冷卻水的溫度和需要達到的減溫狀態(tài)。

2、壓力降

壓力主要的決定因素是減溫器的型式，因此不同應用下的壓力降可以很大，也可能基本忽略計。但是很多時候減溫器會同減壓站同時使用，此時減壓時可以同時將減壓閥的壓力降和減溫器的壓力降考慮在內。但對于單獨減溫的應用，壓力降就是一個比較重要的考慮因素。通常，0.5bar的壓力降是一個比較合理的值。一般來說，在設計減溫器時，低壓力降和高調節(jié)比是相互矛盾的。高的調節(jié)比意味著在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節(jié)能力。

3、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+3~+10C。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。

五、減溫系統(tǒng)中冷卻水的特性

冷卻水的特性在減溫系統(tǒng)中是至關重要的，如果使用品質不好的冷卻水，不僅冷卻效果不好，同時也有可能在運行一段時間后導致減溫器失效。

1. 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。

2. 品質，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。

3. 壓力和流量，冷卻水的壓力和噴嘴的面積決定進入減溫器的冷卻水量，為保證良好的減溫效果，必須保證有足夠的水壓和水量。

4. 控制，水通過控制閥不可避免產生壓力降，當冷卻水的溫度接近飽和溫度時，控制閥有可能會產生汽蝕，應注意避免。

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。

六、減溫系統(tǒng)的安裝

減溫系統(tǒng)常常伴隨減壓，減溫系統(tǒng)的安裝也會影響到整個減溫減壓系統(tǒng)的運行效果。因此必須按照減溫廠家的要求進行安裝，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：

1. 過熱蒸汽的壓力控制

如果過熱蒸汽的供汽壓力提高，則飽和溫度也相應提高。但如果冷卻水控制器的設定溫度沒有變化，可能會噴入過度的冷卻水，從而產生濕蒸汽。因此如果對過熱蒸汽進行壓力控制，即使在上游壓力變化的工況下，也能保持一個穩(wěn)定的減溫器進汽壓力。