文丘利型蒸汽減溫器的設計與應用

王 麗，葛震弘

(斯派莎克工程(中國)有限公司，上海 201114)

蒸汽是工業中應用最為普遍的傳熱介質。隨著節能減排的不斷深入，越來越多的蒸汽用戶選擇使用熱電廠提供的過熱蒸汽。然而，由于蒸汽的特性，絕大多數的工業過程中需要的是飽和蒸汽，而非過熱蒸汽。蒸汽減溫器的作用就是將過熱蒸汽變為飽和蒸汽，使其更加適合工業生產、制造及換熱等的需求。

國內外對減溫器的研究與設計由來已久，減溫器的種類也較多，程穎對各種蒸汽減溫器類型及優缺點進行了論述，并對水滴蒸發的機理進行了研究[1]。Van Blarcom對通過控制冷卻水量實現過熱蒸汽減溫進行計算與討論[2]。劉銳指出若沒有良好的霧化效果，仍然無法達到預期的減溫效果[3]。減溫器結構越復雜，霧化效果越好，造價也越高。本文著重對本公司生產的文丘利型減溫器的結構及原理進行介紹，討論了文丘利型減溫器的噴嘴、內擴散器等重要內件的設計計算，闡述了減溫減壓系統的組成，并結合實際應用案例對減溫減壓系統的性能進行實測驗證。

1 文丘利型減溫器原理及結構

文丘利型減溫器的結構如圖1所示，內部主要包括噴嘴、內擴散器、主擴散器。一部分過熱蒸汽進入噴嘴，在噴嘴喉部被加速到很高的速度，冷卻水進入減溫器內的環形內腔后通過均勻分布的小孔噴入減溫器，噴射蒸汽混合著被霧化的冷卻水滴離開噴嘴，進入到內部擴散器中形成飽和水霧；剩余的大部分過熱蒸汽進入內擴散器外部的空間，與飽和水霧在主擴散器中混合，在減溫器下游的混合管道內完成最后的減溫。

圖1 斯派莎克文丘利減溫器內部結構圖

2 文丘利減溫器的內件設計

文丘利型減溫器的內件設計是保證減溫器工作效果的關鍵。過熱蒸汽通過噴嘴后產生的引射作用可以提高霧化效果[4]，同時還可以使冷卻水的給水壓力降低，避免能源浪費[5]。

2.1 噴嘴的設計計算

噴嘴計算的關鍵是確定其背壓，文丘利減溫器中的噴嘴采用的是亞音速噴嘴，背壓Pbz

(1)

其中，Vz表示噴嘴出口的速度，m/s；h1表示進入減溫器過熱蒸汽的比焓，J/kg；h2表示噴嘴出口處過熱蒸汽的比焓，J/kg。于是可以得到噴嘴出口的直徑為：

(2)

其中，dz表示噴嘴出口直徑，m；Msz表示進入噴嘴的蒸汽質量流量，kg/s；Ve表示過熱蒸汽的比容，m3/kg。

2.2 內擴散器的設計計算

蒸汽與冷卻水滴的混合物進入到內擴散器后，隨著內擴散器中壓力的逐漸增大，冷卻水滴在此進一步被“撕扯”成為顆粒更小的水霧，從而達到良好的霧化效果。

內擴散器實際是一個擴壓管，其出口的壓力需要恢復到與進口壓力相平衡，才可以使內擴散器內進一步霧化的冷卻水霧進入到主擴散器當中。內擴散器喉部的直徑為：

(3)

其中，di表示噴嘴出口直徑，m；Mw表示進入減溫器的冷卻水的質量流量，kg/s；Vi表示內擴散器喉部蒸汽與冷卻水混合物的比容，m3/kg；vi表示內擴散器喉部蒸汽與冷卻水混合物的速度，m/s。

3 典型文丘利減溫器系統應用

3.1 典型的減溫(減壓)系統組成

為保證減溫器的使用效果，需要一個合理的系統來配合。一個典型的減溫(減壓)系統組成如圖2所示。通常包括：①蒸汽減壓閥，②減壓閥到減溫器進口的管段，③減溫器，④減溫器出口到溫度傳感器的直管段，⑤溫度傳感器，⑥溫度控制信號，⑦溫度控制器，⑧冷卻水控制閥，⑨壓力傳感器，⑩壓力控制器。

減溫減壓系統中使用自作用的減壓閥或氣動控制減壓閥，可以通過壓力傳感器反饋的壓力信號來調整減壓閥的開度，以平衡和補償減溫器由于節流帶來的壓力損失。

減壓閥到減溫器進口的直管段，是為了使經過減壓閥這樣的節流裝置后，造成的強烈湍流對減溫器的使用造成影響。

圖2 典型減溫減壓系統組成示意圖

減溫器出口到溫度傳感器的長直管段，是冷卻水霧的蒸發段，該管段不設任何變徑、彎頭、閥門等阻力件，保證懸浮在蒸汽中的冷卻水霧完全蒸發。

冷卻水側使用氣動控制閥來控制冷卻水的進水量，以滿足不同工況條件下對冷卻水量的需求。通過安裝在減溫器混合直管段后的溫度傳感器測量減溫后蒸汽的溫度，由溫度控制器反饋信號來調節冷卻水控制閥的開度。由于飽和蒸汽的溫度是一定的，為了防止向管道中噴入過量的水，溫度傳感器的設定值應該按照應用的需求設置相應的過熱度。

3.2 減溫(減壓)系統實際應用

由于減溫器工作中包含有霧化、破碎、蒸發等等復雜過程，目前仍以測量作為較可信的研究手段[6]。以某廠家現場安裝的一套減溫減壓系統為例，對其應用參數進行測量。

圖3 減溫減壓系統圖

要求將8barg、198℃的過熱蒸汽減溫減壓為4barg對應的飽和蒸汽，設計質量流量為2000-5000 kg/hr。依照熱平衡及減溫器內件設計計算，確定減溫器選型，并在此基礎上對減溫減壓系統閥門與附件進行選型，系統圖如圖3所示。為實現冷卻水進水量的控制，避免過多的水進入系統，溫度控制器的設定溫度為4barg飽和蒸汽對應的溫度加3℃，即155℃。

實測中，選擇三種流量工況分別為最大流量、最小流量及任意流量。在系統運行穩定的條件下，分別讀取5分鐘內流量、系統進出口壓力和溫度的數據，將獲得數據進行時間平均，得到該減溫減壓系統的實測數據，如表1所示。可見，經過減溫減壓系統的蒸汽可以達到設計要求。

表1 減溫減壓系統實測參數

圖4 溫度傳感器的測量的溫度

圖4所示為在最大流量工況下溫度傳感器實測得到的溫度變化曲線。由于溫度傳感器測量的溫度會作為反饋信號輸入溫度控制器來調節冷卻水控制閥的開度。于是實際測得的溫度會以設定穩定為中心周期性變化，其最大溫差為±2.5℃，確保經過減溫器后溫度達到使用要求，同時又不會帶入大量的冷卻水。由于實際中測溫點與蒸汽使用點的距離較遠，經過減溫減壓系統后剩余的過熱度可通過管道散熱來降低，以保證使用點處的蒸汽為飽和蒸汽，同時達到節能的目的。

4 結論

對本公司生產的文丘利型減溫器進行設計，并應用現場實測驗證其性能，得到如下結論：

(1)通過計算設計文丘利型減溫器的內件，可以達到更好的霧化效果，有利于冷卻水的蒸發。

(2)設計完整的減溫減壓系統，采用自作用減壓閥平衡系統中的壓力損失；利用氣動控制閥控制冷卻水的進水量，使減溫減壓后的蒸汽溫度和壓力均保持在設定值附近，并防止向管道中噴入過量的水，以達到節能的目的。

[1] Van Blarcom P P. Steam Temperature Control by Desuperheating [J]. ISA Transactions,1983(22):23-29.

[2] 劉銳，李巍.減溫減壓裝置中減溫器結構的設計與研究[J]. 應用能源技術，2003(4):30-31.

[3] 趙朋山，朱姍，王國賢.引射式噴射器應用于螺旋霧化減溫器的可行性研究[J]. 鍋爐技術， 2011,42(2):22-25.

[4] 程穎. 過熱蒸汽飽和器的研究與設計[D]. 鎮江：江蘇科技大學，2011.

[5] 王雙印.新型水噴射式減溫減壓裝置的開發研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010.

[6] 周華，范明豪，楊華勇.旋芯噴嘴高效霧化特性測量研究[J]. 機械工程學報，2004,40(8):110-114.