减温器的类型与应用

张振基，余博，蒲鉴

(1． 黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 黔西 551500； 2． 东华工程科技股份有限公司，合肥 230024)



减温器的类型与应用

张振基1，余博2，蒲鉴1

(1． 黔希煤化工投资有限责任公司，贵州 黔西 551500； 2． 东华工程科技股份有限公司，合肥 230024)

摘要：减温器的功能是将过热蒸汽转化为饱和蒸汽或者过热度较低的蒸汽，通过减温水与过热蒸汽的热交换，降低过热蒸汽温度，最终达到热平衡。通过相关参数的计算，选择合适的减温器。介绍了常见减温器的类型，分析了影响减温效果的因素，提出了减温器在选型及安装过程中应注意的问题，对减温器的更好了解和使用有一定的帮助。

关键词：过热蒸汽减温器喷嘴雾化焓值

蒸汽作为热源，广泛应用于电力、石化、化工、造纸、冶金、城市热网等行业中。过热蒸汽是指温度高于饱和温度的蒸汽，比饱和蒸汽具有更多的热能和更高的比热容。在实际生产过程中，经常遇到过热蒸汽，而在最终使用端，常需要接近饱和状态的蒸汽或过热度较低的蒸汽，这时就需要精确的温度控制来改善热效率，消除调节过程中的意外过热工况，保护下游产品免受过热损坏，减温器广泛应用于这些场合，其功能是将过热蒸汽转化为饱和蒸汽或过热度较低的蒸汽，大多数使用场合为过热蒸汽转化成饱和蒸汽。

1减温器的工作原理

将减温水通过减温器送入蒸汽管道，通过减温喷嘴将减温水初级雾化，分散成小尺寸的水滴，因蒸汽流动产生的气体动力大于水分子的表面张力，初级雾化的水滴被进一步击碎，进行二级雾化，形成水雾，与过热蒸汽充分混合，吸收过热蒸汽能量，雾化蒸发，降低蒸汽温度，最终达到热平衡，生成饱和蒸汽或过热度较低的过热蒸汽。

减温器常见配置为减温喷嘴、进水调节阀、测温元件及控制器，减温喷嘴和进水调节阀可以是一体式也可以是分体式。减温器与减压阀结合使用即减温减压器，常用于高压过热蒸汽减温减压场合。

减温器典型带仪表控制点的分体式和一体式流程如图1和图2所示。

图1　减温喷嘴和减温水阀分体式流程示意

图2　减温喷嘴和减温水阀一体式流程示意

1) 减温水的流量计算。在过热蒸汽减温过程中，主要遵循热焓平衡原理。“焓”是一个热的动态量，它是物质内部能量和其体积与压力之积的和，即热容量。根据热焓平衡原理，减温水可以采用如下公式进行核算：

H1qm1+HWqmW+(qm1+qmW)H2

(1)

式中：H1——入口蒸汽操作状态下的焓值，kJ/kg；HW——入口减温水操作状态下的焓值，kJ/kg；H2——出口蒸汽操作状态下的焓值，kJ/kg；qm1——入口蒸汽质量流量，kg/h；qmW——入口减温水质量流量，kg/h。

根据式(1)则可得到：

(2)

其中状态下的焓值(H1，H2，HW)可通过有关手册查到。

2) 减温喷嘴的CV值计算。减温喷嘴的CV值计算和阀门CV值计算公式基本一致。

(3)

(4)

式中：qVW——减温水的体积流量，m3/h；SG——减温水比密度；Δp——建议的减温器喷嘴两端的压差；ρW——操作状况下减温水密度，kg/m3。

2典型的减温器类型

目前市场上的减温器种类繁多，结构多样。主要分为两类： 减温水阀与喷嘴一体式结构；减温水阀与喷嘴分体式结构。还有一种将减温减压功能组合在一起，称为减温减压阀门式，使用在复杂工况下，结构复杂，设备费用较高，此处不做阐述。

减温水阀与喷嘴一体式减温器具有独立调节减温水流量的能力，因而不需要额外配置减温水阀，又称为可调型减温器。这种减温器是通过控制执行机构来调节减温器阀芯的高度，进而控制喷嘴打开的开度，控制减温水的流量。在要求减温温差较大的工况，一体式减温器还有辅助蒸汽型。减温喷嘴通常分为可变几何形状减温喷嘴、固定几何形状减温喷嘴、弹簧背压式减温喷嘴、几何形状辅助对夹式喷嘴、文丘里型减温喷嘴、蒸汽辅助雾化减温喷嘴。各个厂家还有不同结构或不同名称的减温喷嘴。

利用高压蒸汽来实现喷射水的快速和彻底的雾化。雾化的蒸汽压力通常比主蒸汽管线压力高两倍或更多，辅助蒸汽在喷嘴腔体内与水相遇，在那里膨胀的雾化蒸汽的能量被用来将水雾化成极小的水滴。这些更小的水滴可更快地转化成蒸汽并可在很低的蒸汽流速下仍然呈悬浮状态，从而彻底地汽化。该类型的减温器能处理很高的负荷变化，可调比可达50∶1；但该类型的喷嘴需要高压辅助蒸汽和额外的管道、设备连接，相对费用较高。

3影响减温效果的因素

在实际应用中，影响减温效果的因素很多，主要有以下几方面。

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1) 雾化后水滴的大小。实验证明，一滴直径20μm的水滴完全蒸发需要的时间为0.01s，而一滴200μm的水滴完全蒸发需要的时间为1s，即水滴的尺寸增大了10倍，而蒸发所需要的时间却增加了100倍。由此可见水滴尺寸与蒸发时间成平方关系，对雾化效果的影响很大。因此，减温器必须很好地控制水滴尺寸，主要有两种方法： 控制喷射速度；控制喷射方向。如果雾化效果控制不好，则会产生水击现象，达不到减温效果，严重时会损坏管道。

2) 管道尺寸和蒸汽速度。水滴需要足够的时间蒸发，如果蒸汽速度太慢，其流动产生的空气动力小于水分子的表面张力时，水滴不会分裂，不会持续保持悬浮，将会落在管壁上，引起温度控制不稳定，同时对管道产生水击破坏。实验证明，蒸汽的水滴直径在0.25～0.30mm时，需要保证蒸汽流速为30～76m/s。

3) 蒸汽管道直管段。如直管段太短，水滴无法完全雾化，水滴会在弯管区域因流向变化直击管道，产生动力干扰，出现水击，并且会慢慢聚积，最终导致温度无法控制。

4) 测温元件的安装位置。测温点的位置离减温器的距离以水滴完全气化为准。离减温器太近，水滴无法完全雾化，检测点温度不能真实反应减温后的蒸汽温度，导致蒸汽减温失控；离减温器过远，导致温度响应时间过长，引起温度控制不稳定。安装位置与如下几个因素有关：

a) 喷水量与蒸汽量的比值。一般减温水与蒸汽比值小于15%时，测温点的位置离减温器的距离为0.2倍最大蒸汽流速；减温水与蒸汽比值大于15%时，测温点的位置离减温器的距离为0.3倍最大蒸汽流速。

b) 想要降低的温度与蒸汽饱和温度的接近程度。在实际工艺过程中，不可能降低到饱和蒸汽温度，这样会有大量水滴形成，导致无法控制温度。

c) 蒸汽流速越小，测温点离减温器的安装距离越远。一般蒸汽流速小于30m/s时，安装距离不得小于12m。总之，测温元件安装距离除了减温水和蒸汽的本身状态有关，还与减温器的类型和制造商有关。

6) 减温水的压力。根据减温器类型和制造商不同，要求减温水的最小压力也各不相同，压力过低会导致减温水无法喷入蒸汽管道。

4设计选型和安装使用中需注意的问题

1) 减温器的安装条件需有足够的直管段，测温元件需安装在合适的位置。

2) 蒸汽进出口温差较大、喷水较多的场合，需选择合适类型的减温器，或采用多级减温器。在减温水与蒸汽比超过15%时就要慎重选择减温器类型，一般可采用蒸汽辅助雾化减温喷嘴、多级减温器或其他特殊类型减温器，根据各制造商而异。如采用多级减温，会增加一套减温器和减温水阀，同时需要更多的直管段要求，设备费用也会随之上升。

3) 对于减温器本身喷水量有最小要求，不是所有小流量的蒸汽都能使用减温器，这种情况下只有采用加大过热蒸汽量，产生过多的减温蒸汽送至相应的蒸汽管网或直接排放。如在某项目中，要求将温度545℃，压力4.1MPa，最小质量流量186kg/h的过热蒸汽减温至252℃，减温水为104℃，5.6MPa，在选型中询问多家制造商，最低可调蒸汽流量只能在400kg/h左右，在此情况下，减温器只能按最小流量400kg/h选型，而工艺操作实际需要最小蒸汽流量为186kg/h，因而过剩的蒸汽需送至相应压力等级的蒸汽管网或放空。

4) 减温系统大多数是为饱和蒸汽系统设计的，但减温器的材质和压力等级需能承受过热蒸汽状态下的温度和压力，同时应与减温水管道压力等级保持一致。

5) 减温水流过控制阀会产生压力降，当减温水的温度接近饱和温度时，应确保通过控制阀的压降不至于使减温水闪蒸，防止阀门气蚀现象产生。

6) 一般应在减温器下游管道安装疏水器，防止不能完全雾化的减温水聚积后对管道或下游设备产生破坏。

7) 在实际使用中，安装方向及位置经常被忽略，正确的安装方向及位置可能比减温器本身产生更大的影响。主要包括管道连接件、弯头和其他类型的存在于喷水点下游的管道阻挡物的位置；在安装时还要注意流向，应按设备上标示的流向安装。

8) 在实际生产中，调试减温器控制回路应注意相应参数的设定，特别需要考虑微分时间，具体参数可以根据现场操作情况设定。微分即误差的变化速率，误差变化越快，其微分绝对值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。有经验的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，根据温度变化的趋势，预计温度将会超过设定值，出现超调，于是调节给水阀，提前减小给水阀门开度。

5结束语

减温器在生产中经常使用，需要根据具体工况选用合适类型的减温器，才能保证过热蒸汽按要求转化为合适的蒸汽，保证蒸汽管网的稳定运行，满足实际生产需要。

参考文献：

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[4]戴武，孟海亮，尚野麟，等.HG/T 20505—2014 过程测量和控制仪表的功能标志及图形符号[S].北京： 中国计划出版社，2014： 29-52.

[5]王雪梅，张悦崑，安铁夫，等.HG/T 20507—2014 自动化仪表选型设计规定[S].北京： 中国计划出版社，2014： 134-139.

[6]傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学[M]. 5版.北京： 高等教育出版社，2004： 96-97.

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

中图分类号：TK223.3+7

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0073-03

作者简介：张振基(1966—)，男，1988年毕业于兰州大学，现就职于黔希煤化工投资有限责任公司，负责设备管理工作，任高级工程师。

稿件收到日期：2015-08-29。