南京化工園區(qū)飽和蒸汽的回收利用

文 _ 何宇 南京化工園事業(yè)公司生產(chǎn)部

南京化工園區(qū)飽和蒸汽的回收利用

文 _ 何宇 南京化工園事業(yè)公司生產(chǎn)部

南京化學(xué)工業(yè)園公用事業(yè)有限責(zé)任公司是以水、汽、污水輸送等公用工程服務(wù)為主要業(yè)務(wù)的綜合性管理公司。隨著化工園區(qū)的規(guī)模擴(kuò)大，電廠的規(guī)模卻沒有隨之增大，園區(qū)蒸汽的供需矛盾愈發(fā)突出；同時(shí)，化工園區(qū)的部分化工企業(yè)在生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的熱能，同步衍生出部分余熱蒸汽。在能源日趨緊張的今天，對于化工生產(chǎn)所產(chǎn)生的余熱蒸汽的再利用尤為重要。

1 現(xiàn)狀

南京化工園原有熱用戶60余家，其中能夠返供蒸汽的只有2家。2013年9月份又新增一家化工企業(yè)返供蒸汽，由于該化工企業(yè)返供的是飽和蒸汽，并不適合遠(yuǎn)距離傳輸，直接并入蒸汽熱網(wǎng)容易造成水擊，因此，就必須對其先進(jìn)行處理，使該飽和蒸汽有一定的過熱度后再使用。

該企業(yè)供應(yīng)的飽和蒸汽壓力為2.2MPa（表壓）左右，而化工園區(qū)的蒸汽管網(wǎng)總共有三個(gè)等級，第一是4.3MPa（表壓），410℃；第二是2.7MPa（表壓），340℃；第三是1.5MPa（表壓），280℃。可以看出，該飽和蒸汽只能夠通過節(jié)流降壓的手段，并入1.5MPa等級（實(shí)際運(yùn)行壓力1.2MPa）蒸汽管網(wǎng)。

2 飽和蒸汽減壓后的變化

圖1中最重要的就是那根干飽和蒸汽線，其干度為1，所有條件下飽和蒸汽都在這條線上，這條線以下為濕蒸汽區(qū)，即干度＜1，這就意味著水蒸汽落入這個(gè)區(qū)就會(huì)有凝液。而該線上部為干蒸汽區(qū)，點(diǎn)落在此區(qū)不會(huì)有凝液析出。

圖1

一般蒸汽減壓有兩種情況：絕熱膨脹和節(jié)流膨脹。絕熱膨脹為等熵過程，如電廠的蒸汽透平（朗肯循環(huán)）。圖1中紅線為等熵線，在干飽和蒸汽線上與任意等壓線的交點(diǎn)就是該壓力下的飽和點(diǎn)，對這點(diǎn)進(jìn)行減壓（沿等熵線），減壓后的點(diǎn)必然落入濕蒸汽區(qū)，即肯定是有凝液析出 （這就意味著飽和蒸汽減壓不可能是過熱蒸汽）。 根據(jù)朗肯循環(huán)定義，在進(jìn)入蒸汽透平之前，蒸汽都是需要在鍋爐中加熱到飽和蒸汽，接著都在蒸汽過熱器中定壓變成過熱蒸汽，這就是為了避免在透平后大量凝液析出，否則會(huì)損害汽輪機(jī)。當(dāng)然朗肯循環(huán)是理想方式，實(shí)際過程是一個(gè)熵增過程，即等熵線微微右斜。但不管怎樣，飽和蒸汽減壓必落入濕蒸汽區(qū)，即會(huì)析出凝液。

對于節(jié)流膨脹來說，蒸汽節(jié)流過程是一個(gè)等焓過程，氣體通過節(jié)流原件，因?yàn)楣?jié)流過程時(shí)間很短，我們可以理解為氣體來不及與外界發(fā)生能量交換，所以可以認(rèn)為是絕熱過程，Q=0，并且該過程沒有對外做功，則W=0, 節(jié)流后的動(dòng)能和位能變化可以忽略不計(jì)，那根據(jù)穩(wěn)流體系能量方程，得到過程焓變?yōu)?，也就是等焓過程。然而這只是對于理想氣體使用，對于實(shí)際氣體，則問題復(fù)雜得多。圖1中綠線為等焓線，如蒸汽經(jīng)過閥門或者其他一些節(jié)流元件減壓，在這個(gè)過程中又有兩種情況，這是因?yàn)楦娠柡驼羝€在 20到 50個(gè)大氣壓之間出現(xiàn)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)左側(cè)的點(diǎn)進(jìn)行減壓，開始的時(shí)候會(huì)落到濕蒸汽區(qū)，出現(xiàn)凝液，但是繼續(xù)減壓，又會(huì)重新回到干蒸汽區(qū)，此時(shí)凝液消失。而在拐點(diǎn)右側(cè)的點(diǎn)，減壓后則始終處于干蒸汽區(qū)，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)凝液。

從上面的分析可以看出，飽和蒸汽減壓并不是想象的那么簡單，而是要具體問題具體分析。想要看減壓后的水多不多，還是需要看水蒸氣的焓熵圖。具體方法是：先確定實(shí)際的減壓過程是那種，在干飽和蒸汽線上找到 2.2MPa（表壓）的飽和點(diǎn)，然后沿實(shí)際過程減壓，找到等焓線或等熵線與等壓線交點(diǎn)，可以得出2.2MPa（表壓）在降壓過程，則始終處于干蒸汽區(qū)，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)凝液。

同時(shí)根據(jù)節(jié)流效應(yīng)系數(shù)( 也可以稱joule-thomson系數(shù)）判斷，雖然理想氣體節(jié)流后溫度不變，但實(shí)際上對于蒸汽，節(jié)流膨脹后溫度稍微下降。但是比起壓力的降低造成蒸汽對應(yīng)飽和溫度的降低要小很多，這就說明此時(shí)蒸汽的真實(shí)溫度要高于減壓后壓力對應(yīng)的飽和蒸汽溫度（一般會(huì)低于減壓前的溫度），所以經(jīng)過節(jié)流膨脹后，蒸汽變成了過熱蒸汽。工程上，大多數(shù)時(shí)候，在蒸汽節(jié)流膨脹后，會(huì)加入少許冷凝水降低溫度，這個(gè)過程稱為蒸汽的降壓降溫過程。

3 實(shí)際情況的計(jì)算和操作

在實(shí)際計(jì)算中，我們可以理解為氣體來不及與外界發(fā)生能量交換，所以可以認(rèn)為是絕熱過程，Q=0，并且該過程沒有對外做功，則W=0，同時(shí)雖然蒸汽在絕熱不作軸功的流動(dòng)過程中，氣體動(dòng)能的增加，等于氣流的焓降，絕熱過程的焓降等于技術(shù)功。由于節(jié)流過程時(shí)間很短，同時(shí)在并入熱網(wǎng)后蒸汽動(dòng)能基本不變，節(jié)流后的動(dòng)能和位能變化可以忽略不計(jì)，那根據(jù)穩(wěn)流體系能量方程，得到過程焓變?yōu)?，也就是等焓過程。

因此計(jì)算過程如下：絕壓2.3MPa的飽和蒸汽的熱值2801.09kJ/kg 對應(yīng)溫度為219.596℃；絕1.3MPa的飽和蒸汽的熱值為2786.99kJ/kg 對應(yīng)溫度191.644℃。2.3MPa等級飽和蒸汽降壓為1.3MPa蒸汽其中剩余的熱量為2801.09-2786.99=14.1 kJ/kg。從能量的角度來看應(yīng)該會(huì)有一些過熱，至于過熱幾度根據(jù)下面的數(shù)據(jù)，絕壓1.3MPa蒸汽，熱值為2801.09kJ/kg時(shí)對應(yīng)的溫度為219.05℃。由于節(jié)流過程，不可避免會(huì)存在一些熱能轉(zhuǎn)化為技術(shù)功，因此，節(jié)流后溫度會(huì)比計(jì)算出的溫度有所偏低。

根據(jù)上述計(jì)算可以看出，2.2MPa（表壓）飽和蒸汽經(jīng)過降壓到1.2MPa（表壓）后，會(huì)變成過熱蒸汽。過熱度約為28～29℃，與原先管網(wǎng)里的280℃左右的過熱蒸汽混合后，可以再次升溫，完全能夠遠(yuǎn)距離進(jìn)行傳輸。

由于該企業(yè)供汽的位置在化工園區(qū)第一根DN500低壓蒸汽母管的中部，考慮到蒸汽的流向問題，在該蒸汽引入的同時(shí)，也要兼顧到引入點(diǎn)后用汽單位的蒸汽用量；在消化掉該返供蒸汽的同時(shí)，也要使用部分園區(qū)電廠供應(yīng)的蒸汽流，確保蒸汽不會(huì)出現(xiàn)反向流和滯流的情況。

4 結(jié)語

綜上所述，該企業(yè)2.2MPa（表壓）等級的飽和蒸汽通過節(jié)流降壓等技術(shù)措施，可并入南京化學(xué)工業(yè)園區(qū)的低壓蒸汽管網(wǎng)，該飽和蒸汽的回收利用可以有力地緩解化工園區(qū)的蒸汽緊張的狀況。