减温减压装置的应用

饱和蒸汽与过热蒸汽

       伴随着集中供热、热电联产等技术的推广应用，工厂用汽、区域供汽的汽源往往是过热蒸汽，而一般的工业蒸汽（与动力蒸汽相区分）又是使用饱和蒸汽的。那么，不禁要问过热蒸汽与饱和蒸汽之间有什么区别，过热蒸汽能直接应用于换热过程上吗？

       过热蒸汽，顾名思义，蒸汽温度超过相应蒸汽压力下对应的饱和温度。如此，过热蒸汽相对于同等压力下的饱和蒸汽而言，拥有更高的焓值，这样也似乎意味着可供使用的热量更多，按照这个想法，那么加热同一工质时，所需消耗的过热蒸汽量也是要大大少于饱和蒸汽量的。

       可是，在工程实践之中，这个“想当然”并不正确。

       举例而言，现有175℃、6 bar g的过热蒸汽。在其冷凝前，须先冷却到6 bar g所对应的饱和温度165℃，而6 bar g过热蒸汽的比热约为2.32KJ/kg，那么1kg蒸汽从175℃冷却到165℃放出的热量约为23.2KJ。而1kg的6 bar g饱和蒸汽凝结释放的热量为2066kJ。如此看，相较于2066KJ而言，23.2KJ实在太少了。过热蒸汽的“过热”，从这个角度来看，并没有那么地“过热”。

       对流换热过程中传热量计算公式如下：

       Q=k*A*ΔT

       其中：k为换热系数；

                 A为换热面积；

                 ΔT为温差。

       注意：过热蒸汽的换热系数值远小于饱和蒸汽的换热系数值（饱和蒸汽为相变换热）；

       对于过热蒸汽而言，总的来说，过热度越高，换热系数是要降低的。

       过热蒸汽作为工业蒸汽使用尚有别的弊端：一、过热蒸汽冷却过程的换热系数低，相较于饱和蒸汽凝结换热时的换热系数而言太小，因此使用过热蒸汽意味着换热设备中的传热面积增加很多，从工程上而言十分不经济。根据实际经验，过热度每增加2℃则换热器需增加1%的换热面积；二、由于过热蒸汽的传热系数低，对于我们一般使用的间壁式换热器（如板式换热器）或其他用热设备而言，壁面本身的温度梯度会较大，而由温度梯度导致的热应力会破坏壁面，使设备损坏率提高。而对于管壳式换热器，使用过热蒸汽会在其管板附近形成干墙，干墙区会很快结垢，造成管壁超温，导致管子失效；三、由于过热蒸汽一般温度较高，对于设备的要求也高，相较而言要增多对于设备的经济投入，并不划算。

蒸汽减温减压装置组成与原理

       一般工厂的工艺以及用汽设备（如换热器、蒸煮浓缩等加热设备、空气调节设备等等）中大部分均要求使用饱和蒸汽，考虑到汽源为较高压力的过热蒸汽，那么自然需要减温减压装置实现过热蒸汽到饱和蒸汽的转换。

       笼统而言，蒸汽减温减压装置的主要应用是实现不同品质蒸汽的转换，如高、中、低压蒸汽管网之间便是以减温减压器相连接。除此之外，当蒸汽负荷波动时，减温减压装置可以保持各管网的蒸汽温度、压力稳定。这也是减温减压装置一大作用。

       那么，减温减压装置究竟是怎么样的呢？

减温减压装置的组成

 减温减压装置，在使用中需要考虑包含一次蒸汽状况，减温水状况，温度压力的测量，信号传输，截止隔离装置，安全系统，管道布置及连接等等诸多方面的内容。

由此，整个减温减压装置部件众多，如减压模块，减温模块，减温水控制模块，测量模块，安全模块，截止隔离模块，管路传输模块，连接模块等等。每个模块负责不同功能，侧重不同方向，参考于不同的数据，共同完成蒸汽减温减压的工作，输出优质稳定的二次蒸汽。

       图1  减温减压装置简图

       减温减压装置的原理

       蒸汽的减温减压分为两个物理过程。

       首先是减压，通过控制节流元件，使蒸汽在节流过程中损失势能，从而降低压力,该过程等同于压力调节阀的工作。其次是减温（减温形式有直接接触式与非直接接触式，此处介绍直接接触式为示例）：大致说来，减温过程就是冷却水直接与过热蒸汽混合，吸收过热蒸汽的热量并蒸发成蒸汽，同时，过热蒸汽被冷却。

       在减温过程之中，一定量的冷却水是通过减温器内部的雾化和混合装置被加入的，其中对加入冷却水量的控制是通过测量减温器下游的蒸汽温度来实现。此外，所有的直接接触式减温器都必须将进入的冷却水打碎成小水滴，以增加水的表面积/体积比。水的表面积/体积比越大，水滴的蒸发速度越快，蒸汽降温越快。制造小水滴的过程通常被称为“雾化”，雾化质量的好坏，将直接影响减温系统的控制性能。而减温器不同类型之间的区分便是以冷却水雾化方法而定。

       整个减温过程遵循热焓平衡原理，故而我们可以通过热焓的平衡计算出所需冷却水的水量，如下公式所示。

       Mg*（Hi-Hd）=Mc*（Hd-Hc）

       其中：Mg为过热蒸汽质量；

                 Hi为过热蒸汽焓值；

                 Hd为减温后蒸汽焓值；

                 Mc为冷却液质量；

                 Hc为冷却液焓值。

       总之，减温减压装置的压力实现应该由蒸汽侧控制，而温度则由冷却水侧控制。

减温器的类型（主要介绍接触式减温器）

       接触式减温器主要分为三种，有喷水型、文丘利型、蒸汽雾化型。以下介绍各种形式减温器的优缺点以及应用。    

       喷水型减温器

       优点：喷水型减温器操作非常简单；

                 没有运动部件；

                 费用低；

                零蒸汽压力降。

       缺点：低的流量调节比能力（蒸汽和冷却水侧最大3:1）；

                 达到饱和温度的程度低（最好饱和温度+5℃）；

                 管道内部件容易受冲蚀，使用热套管可以克服。

       应用：相对稳定的蒸汽负荷；

                 相对稳定的蒸汽流量；

                 相对稳定的冷却水温度；

                 下游蒸汽的温度不关键。

       文丘利型减温器

       优点：相对的低压力降；

                 操作简单（比喷水型略复杂）；

                 没有运动部件；

                 精确控制，通常可以达到蒸汽饱和温度+3℃；

                 适用于稳定负载或变负载应用；

                 可以安装于水平或垂直向上；

                 当安装于垂直管道时调节比可以超过5:1；

                 和喷水型相比下游管道的冲蚀小。

        缺点：冷却水必须超过12kg/h。

        应用：能适用于大多数的工厂应用，除非水侧的流量调节比特别大。

        蒸汽雾化型减温器

        优点：良好的调节比，蒸汽最大的调节比可能达到50:1，但有效的操作和控制的调节   比为20:1，水侧的调节比相同；

                  非常紧凑；

                  压力降可以忽略；

                  适用于蒸汽流量变化很大的情况；

                  适用于其他参数变化很大的情况；

                  蒸汽雾化型减温器本身比文丘利型便宜。

         缺点：需要额外的高压雾化蒸汽；

                   为了达到大于5:1的调节比，安装费用高，需要在下游安装循环装置。

         应用：高调节比的应用；

                   制程参数变化大的应用。

关于减温减压装置的注意事项

       冷却水

       用于冷却的水源通常选择锅炉补给水、脱矿水、去离子水、凝结水。而城市用自来水或制程用水也可能被使用，但取决于给水的硬度，因为水垢可能会积聚在减温器冷却水喷口内部和减温器下游管道的内壁表面。

       通常，冷却水温度越高越好，这是因为热水滴比冷水滴吸收较少的热量达到蒸发温度，蒸发快从而产生更加高效的减温效果。使用热水也能减少水跌落到管道内壁的量，因此应该对给水管道进行保温。但应当注意的是，高温冷却水应避免通过控制阀是发生闪蒸。

        那么，对于冷却水的压力是否有要求呢？冷却水的压力必须大于管道内的蒸汽压力，而具体则取决于不同的型号，其中喷水型减温器中冷却水压力最少应比蒸汽压力大0.5bar，文丘利型减温器中冷却水压力最少应比蒸汽压力大0.1bar，蒸汽雾化型中冷却水压力至少应等于蒸汽压力。 

      减温器下游管道设计

       在减温过程之中，雾化后的水滴需与蒸汽混合，而水滴蒸发（伴随着蒸汽冷却）是一个需要时间的过程，不会瞬间完成。因此，大部分的减温过程不是发生在减温器内部，而是在减温器出口的下游管道内。所以，对一个良好的减温器来说，下游的管道设计十分重要。

       如果水滴与蒸汽混合不良，其便不能从过热蒸汽中有效吸收热量，那么水滴的蒸发过程就不彻底，导致减温器下游有水滴溢出，减温器出口温度无法控制。为了水滴更好的蒸发，水滴应该尽可能长时间的悬浮在下游管道中，为了确保这一点，下游管道应该保持相对高的流动速度以维持足够的湍流。因为该速度要高于一般的蒸汽分配系统的蒸汽流速，故而减温器和相应的下游管道通常（并非所有）要比蒸汽分配系统管道小（选择恰当值）。

       另外，如若冷却水液滴滴落在管道上，将造成热应力破坏管道管壁。

       减温减压系统安装注意点

       减温器安装方向：

       减温器可以水平或者垂直安装，垂直方向安装时蒸汽必须向上流动，而冷却水管道应该从下方连接至减温器的相应连接口，这种布置方式可确保有最佳的排水效果。对于水平方向安装的减温器而言，冷却水的连接口则应当向下，其他方向虽也能达到满意的操作，但排水效果要较差。

       减温器和减压阀之间距离：

       减温器至少位于减压阀下游5倍的管径或1.5m距离。

       压力、温度感应器安装位置：

       其中压力感应器至少位于减温器下游1.5m，能够补偿减温器和管线的压力损失。

       减温器和温度感应器之间的距离是至关重要。如果温度感应器过分接近减温器，在冷却水滴的蒸发尚不充分时，温度感应器就会给出错误的读数。温度感应器的位置（温度感应器与减温器之间的距离）取决于很多因素．其中最重要的是蒸汽剩余过热度的值，如下所示有据不同的蒸汽剩余过热度而推荐的温度感应器与减温器之间距离。

       蒸汽剩余过热度℃    距离 （米）

      5                7.50

     10                6.80

     15                6.25

     30                5.00

     50                3.70

     100               2.50