淺談減溫器的選擇和設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代工業(yè)中，減溫器主要應(yīng)用于以下區(qū)域：
電廠—減溫器主要用于將來自汽輪機(jī)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(nèi)其他需要使用飽和蒸汽的設(shè)備。
制程工業(yè)—作為減溫減壓站的一部分，將來自鍋爐或熱電廠的過熱蒸汽減溫減壓至設(shè)備需要的工況。這些制程包括：食品、紡織、煙草、釀造、造紙、化工、制藥、石化等等。

一、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(shí)減少輸送過程中的壓損，蒸汽系統(tǒng)一般會(huì)采用高壓輸送至使用點(diǎn)，為了滿足設(shè)備和工藝要求，高壓的干飽和蒸汽在進(jìn)入用汽點(diǎn)前被減至低壓，而減壓則在下游產(chǎn)生過熱度，因此飽和蒸汽轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽。此外，為了遠(yuǎn)距離輸送蒸汽，鍋爐產(chǎn)生過熱度極高的過熱蒸汽，若鍋爐房供出的蒸汽未經(jīng)減溫減壓，直接送至供熱用汽點(diǎn)，則造成蒸汽過熱。
過熱蒸汽具有以下特點(diǎn)：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。
由于：
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(duì)應(yīng)關(guān)系
2.過熱蒸汽的焓比飽和蒸汽高，相同質(zhì)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?jī)H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(jié)放熱變?yōu)轱柡退眱蓚€(gè)階段，放熱過程比飽和蒸汽長(zhǎng)。
4.過熱蒸汽的對(duì)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(shè)備更大，等級(jí)更高，更加昂貴。
因此，過熱蒸汽通常不適合用于一般制程應(yīng)用的換熱過程，在進(jìn)入設(shè)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。一般有兩種最基本的減溫器形式：
非接觸式：冷卻介質(zhì)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(zhì)直接和過熱蒸汽接觸。通常冷卻介質(zhì)為水。
下圖為典型的接觸式減溫器的安裝圖。
過熱蒸汽的減溫過程中，蒸汽和水的換熱過程可以用下面的熱平衡方程來表示：
因此，減溫過程所需要的冷卻水量為：

三、各種不同型式的減溫器

減溫器的原理很簡(jiǎn)單，即用低溫介質(zhì)冷卻過熱蒸汽。但減溫器的型式不盡相同。
1.管束式減溫器
實(shí)際上是一種管殼式換熱器，過熱蒸氣在一側(cè)，冷卻介質(zhì)在另一側(cè)。第一段換熱器的殼兩端封閉，而在出口側(cè)底部封閉頂部打開。浮動(dòng)頭使殼的兩側(cè)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(jìn)入第一組合第二組管側(cè)，放出熱量給水，部分水吸收熱量后汽化。汽化的水通過浮動(dòng)頭然后積聚在殼的外側(cè)，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最簡(jiǎn)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(chǎn)生飽和蒸汽，用壓力控制器維持容器內(nèi)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(chǎn)生的飽和蒸汽比實(shí)際的過熱蒸汽多，水位會(huì)下降。因此需要對(duì)液位進(jìn)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(chǎn)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(jìn)行年檢。
3.噴霧型減溫器
噴霧型減溫器使用最廣泛，噴嘴將很細(xì)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，下圖是最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(huì)在管道上產(chǎn)生熱應(yīng)力引起管道破裂，因此需要使用內(nèi)部的熱套管來防止管道破裂以及沖蝕。
4.文丘利型減溫器
文丘利型減溫器，利用管道對(duì)過熱蒸汽節(jié)流，過熱蒸汽在冷卻水噴入點(diǎn)產(chǎn)生高速流動(dòng)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(gè)獨(dú)立的過程：第一階段在內(nèi)部擴(kuò)散器內(nèi)，部分過熱蒸汽在內(nèi)部噴嘴內(nèi)被加速，將噴入擴(kuò)散器的冷卻水進(jìn)行霧化。第二階段是來自內(nèi)部擴(kuò)散器的飽和水霧同余下的蒸氣在主擴(kuò)散器內(nèi)混合。主擴(kuò)散器本身通過對(duì)過熱蒸汽限流產(chǎn)生較高的流速，以產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，完成第二階段的減溫。
雙文丘利管的設(shè)計(jì)使冷卻水和管道內(nèi)壁接觸的可能性降低到最小，具有最小的管道沖蝕和最大的減溫效果。
文丘利型減溫器在調(diào)節(jié)比大時(shí)，對(duì)于冷卻水的壓力有一定的要求，同時(shí)文丘利減溫器對(duì)也會(huì)產(chǎn)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(duì)噴入的冷卻水進(jìn)行霧化，如下圖所示。
減溫過程分成兩個(gè)階段：第一決斷在擴(kuò)散器內(nèi)，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(jìn)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(kuò)散器內(nèi)，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(kuò)散器的水霧和主管道內(nèi)的蒸汽混合。蒸發(fā)過程發(fā)生在減溫器的出口管道內(nèi)，在出口管道內(nèi)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(diào)節(jié)比，對(duì)冷卻水的壓力要求也沒有那么高，產(chǎn)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(shí)會(huì)常常伴有減壓，有時(shí)候會(huì)將減溫器和減壓閥做成一體式的。
減壓功能類似于標(biāo)準(zhǔn)的減壓閥，通常會(huì)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(yùn)動(dòng)部件，需要定期進(jìn)行維護(hù)。

四、選擇減溫器所要考慮的因素

調(diào)節(jié)比、壓力降和過熱度是減溫器的設(shè)計(jì)和選型時(shí)所要考慮的最重要的三個(gè)因素，同時(shí)這三個(gè)因素也會(huì)在減溫器的選型時(shí)互相牽制，因此需要根據(jù)應(yīng)用要求來綜合考慮。
>>>>調(diào)節(jié)比
調(diào)節(jié)比是指減溫器可以處理的最大流量同最小流量的比值。
實(shí)際上，任何進(jìn)口壓力、溫度或流量的變化會(huì)引起冷卻水量的變化，因此，一個(gè)特定的減溫器有兩個(gè)調(diào)節(jié)比值：蒸汽調(diào)節(jié)比和冷卻水調(diào)節(jié)比。雖然這兩個(gè)調(diào)節(jié)比值是相互影響的，但通常這兩個(gè)值是不一樣的，它們的關(guān)系斯派莎克閥門認(rèn)為取決于過熱蒸汽的溫度、冷卻水的溫度和需要達(dá)到的減溫狀態(tài)。
壓力降
壓力最主要的決定因素是減溫器的型式，因此不同應(yīng)用下的壓力降可以很大，也可能基本忽略計(jì)。但是很多時(shí)候減溫器會(huì)同減壓站同時(shí)使用，此時(shí)減壓時(shí)可以同時(shí)將減壓閥的壓力降和減溫器的壓力降考慮在內(nèi)。但對(duì)于單獨(dú)減溫的應(yīng)用，壓力降就是一個(gè)比較重要的考慮因素。通常，0.5bar的壓力降是一個(gè)比較合理的值。
一般來說，在設(shè)計(jì)減溫器時(shí)，低壓力降和高調(diào)節(jié)比是相互矛盾的。高的調(diào)節(jié)比意味著在最大流量下的壓降會(huì)很高。如果在選擇減溫器時(shí)減小壓力降，同時(shí)也會(huì)減小減溫器的調(diào)節(jié)能力。
出口過熱度
對(duì)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(gè)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(gè)因素來選擇一臺(tái)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(guān)重要的，如果使用品質(zhì)不好的冷卻水，不僅冷卻效果不好，同時(shí)也有可能在運(yùn)行一段時(shí)間后導(dǎo)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(zhì)，高溫下，冷卻水中的可溶固體會(huì)在閥門表面、減溫器的噴嘴和減溫器下游管道的內(nèi)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(jìn)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(chǎn)生壓力降，當(dāng)冷卻水的溫度接近飽和溫度時(shí)，控制閥有可能會(huì)產(chǎn)生汽蝕，應(yīng)注意避免。
因此，必須選擇合適的冷卻水，來保證整個(gè)減溫系統(tǒng)的高效運(yùn)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(huì)影響到最終整個(gè)減溫減壓系統(tǒng)的運(yùn)行效果。因此必須按照減溫廠家的要求進(jìn)行安裝，保證足夠的直管道來吸收冷卻水，同時(shí)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(gè)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(yīng)提高。但如果冷卻水控制器的設(shè)定溫度沒有變化，可能會(huì)噴入過度的冷卻水，從而產(chǎn)生濕蒸汽。因此如果對(duì)過熱蒸汽進(jìn)行壓力控制，即使在上游壓力變化的工況下，也能保持一個(gè)穩(wěn)定的減溫器進(jìn)汽壓力。
用于控制過熱蒸汽壓力的壓力感應(yīng)器最好能安裝在使用點(diǎn)，這樣壓力控制閥能補(bǔ)償任何在減溫器和使用點(diǎn)之間的壓力損失。
2.溫度感應(yīng)器的位置
溫度感應(yīng)器的位置很重要，如果感應(yīng)器同噴水點(diǎn)的距離過近，蒸汽和水尚沒有充分混合，感應(yīng)器可能給出錯(cuò)誤的輸出。如果距離過遠(yuǎn)，這樣會(huì)增加不必要的安裝距離。
最小安裝距離因減溫器而異，通常與需要的出口溫度和進(jìn)口溫度或冷卻水的溫度之間的差有關(guān)。
3.汽水分離器
減溫器下游管道的高效疏水系統(tǒng)至關(guān)重要。為了確保水不再任何地方積聚，在流動(dòng)方向上管道的布置應(yīng)該有坡度，并其最好布置有汽水分離器。
4.截止閥
一般來說在壓力控制閥、減溫器和冷卻水管道上安裝截止閥，以方便設(shè)備維護(hù)和檢修。
5.安全閥
在壓力控制失效時(shí)，需要安全閥來保護(hù)下游設(shè)備。因此，需要在減溫減壓系統(tǒng)出口安裝安全閥來保護(hù)下游設(shè)備。
因此，大家在選擇時(shí)，需要綜合考慮不同的系統(tǒng)要求選擇合適的減溫系統(tǒng)，同時(shí)需要考慮各種附件的準(zhǔn)確安裝位置來保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行。