減溫減壓裝置的應(yīng)用
飽和蒸汽與過(guò)熱蒸汽
伴隨著集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)的推廣應(yīng)用，工廠用汽、區(qū)域供汽的汽源往往是過(guò)熱蒸汽，而一般的工業(yè)蒸汽（與動(dòng)力蒸汽相區(qū)分）又是使用飽和蒸汽的。那么，不禁要問(wèn)過(guò)熱蒸汽與飽和蒸汽之間有什么區(qū)別，過(guò)熱蒸汽能直接應(yīng)用于換熱過(guò)程上嗎？
過(guò)熱蒸汽，顧名思義，蒸汽溫度超過(guò)相應(yīng)蒸汽壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度。如此，過(guò)熱蒸汽相對(duì)于同等壓力下的飽和蒸汽而言，擁有更高的焓值，這樣也似乎意味著可供使用的熱量更多，按照這個(gè)想法，那么加熱同一工質(zhì)時(shí)，所需消耗的過(guò)熱蒸汽量也是要大大少于飽和蒸汽量的。
可是，在工程實(shí)踐之中，這個(gè)“想當(dāng)然”并不正確。
舉例而言，現(xiàn)有175℃、6 bar g的過(guò)熱蒸汽。在其冷凝前，須先冷卻到6 bar g所對(duì)應(yīng)的飽和溫度165℃，而6 bar g過(guò)熱蒸汽的比熱約為2.32KJ/kg，那么1kg蒸汽從175℃冷卻到165℃放出的熱量約為23.2KJ。而1kg的6 bar g飽和蒸汽凝結(jié)釋放的熱量為2066kJ。如此看，相較于2066KJ而言，23.2KJ實(shí)在太少了。過(guò)熱蒸汽的“過(guò)熱”，從這個(gè)角度來(lái)看，并沒(méi)有那么地“過(guò)熱”。
對(duì)流換熱過(guò)程中傳熱量計(jì)算公式如下：
Q=k*A*ΔT
其中：k為換熱系數(shù)；
A為換熱面積；
ΔT為溫差。
注意：過(guò)熱蒸汽的換熱系數(shù)值遠(yuǎn)小于飽和蒸汽的換熱系數(shù)值（飽和蒸汽為相變換熱）；
對(duì)于過(guò)熱蒸汽而言，總的來(lái)說(shuō)，過(guò)熱度越高，換熱系數(shù)是要降低的。
過(guò)熱蒸汽作為工業(yè)蒸汽使用尚有別的弊端：一、過(guò)熱蒸汽冷卻過(guò)程的換熱系數(shù)低，相較于飽和蒸汽凝結(jié)換熱時(shí)的換熱系數(shù)而言太小，因此使用過(guò)熱蒸汽意味著換熱設(shè)備中的傳熱面積增加很多，從工程上而言十分不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，過(guò)熱度每增加2℃則換熱器需增加1%的換熱面積；二、由于過(guò)熱蒸汽的傳熱系數(shù)低，對(duì)于我們一般使用的間壁式換熱器（如板式換熱器）或其他用熱設(shè)備而言，壁面本身的溫度梯度會(huì)較大，而由溫度梯度導(dǎo)致的熱應(yīng)力會(huì)破壞壁面，使設(shè)備損壞率提高。而對(duì)于管殼式換熱器，使用過(guò)熱蒸汽會(huì)在其管板附近形成干墻，干墻區(qū)會(huì)很快結(jié)垢，造成管壁超溫，導(dǎo)致管子失效；三、由于過(guò)熱蒸汽一般溫度較高，對(duì)于設(shè)備的要求也高，相較而言要增多對(duì)于設(shè)備的經(jīng)濟(jì)投入，并不劃算。
蒸汽減溫減壓裝置組成與原理
一般工廠的工藝以及用汽設(shè)備（如換熱器、蒸煮濃縮等加熱設(shè)備、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備等等）中大部分均要求使用飽和蒸汽，考慮到汽源為較高壓力的過(guò)熱蒸汽，那么自然需要減溫減壓裝置實(shí)現(xiàn)過(guò)熱蒸汽到飽和蒸汽的轉(zhuǎn)換。
籠統(tǒng)而言，蒸汽減溫減壓裝置的主要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)不同品質(zhì)蒸汽的轉(zhuǎn)換，如高、中、低壓蒸汽管網(wǎng)之間便是以減溫減壓器相連接。除此之外，當(dāng)蒸汽負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，減溫減壓裝置可以保持各管網(wǎng)的蒸汽溫度、壓力穩(wěn)定。這也是減溫減壓裝置一大作用。
那么，減溫減壓裝置究竟是怎么樣的呢？
減溫減壓裝置的組成
減溫減壓裝置，在使用中需要考慮包含一次蒸汽狀況，減溫水狀況，溫度壓力的測(cè)量，信號(hào)傳輸，截止隔離裝置，安全系統(tǒng)，管道布置及連接等等諸多方面的內(nèi)容。
由此，整個(gè)減溫減壓裝置部件眾多，如減壓模塊，減溫模塊，減溫水控制模塊，測(cè)量模塊，安全模塊，截止隔離模塊，管路傳輸模塊，連接模塊等等。每個(gè)模塊負(fù)責(zé)不同功能，側(cè)重不同方向，參考于不同的數(shù)據(jù)，共同完成蒸汽減溫減壓的工作，輸出優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的二次蒸汽。
圖1 減溫減壓裝置簡(jiǎn)圖
減溫減壓裝置的原理
蒸汽的減溫減壓分為兩個(gè)物理過(guò)程。
首先是減壓，通過(guò)控制節(jié)流元件，使蒸汽在節(jié)流過(guò)程中損失勢(shì)能，從而降低壓力,該過(guò)程等同于壓力調(diào)節(jié)閥的工作。其次是減溫（減溫形式有直接接觸式與非直接接觸式，此處介紹直接接觸式為示例）：大致說(shuō)來(lái)，減溫過(guò)程就是冷卻水直接與過(guò)熱蒸汽混合，吸收過(guò)熱蒸汽的熱量并蒸發(fā)成蒸汽，同時(shí)，過(guò)熱蒸汽被冷卻。
在減溫過(guò)程之中，一定量的冷卻水是通過(guò)減溫器內(nèi)部的霧化和混合裝置被加入的，其中對(duì)加入冷卻水量的控制是通過(guò)測(cè)量減溫器下游的蒸汽溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，所有的直接接觸式減溫器都必須將進(jìn)入的冷卻水打碎成小水滴，以增加水的表面積/體積比。水的表面積/體積比越大，水滴的蒸發(fā)速度越快，蒸汽降溫越快。制造小水滴的過(guò)程通常被稱為“霧化”，霧化質(zhì)量的好壞，將直接影響減溫系統(tǒng)的控制性能。而減溫器不同類型之間的區(qū)分便是以冷卻水霧化方法而定。
整個(gè)減溫過(guò)程遵循熱焓平衡原理，故而我們可以通過(guò)熱焓的平衡計(jì)算出所需冷卻水的水量，如下公式所示。
Mg*（Hi-Hd）=Mc*（Hd-Hc）
其中：Mg為過(guò)熱蒸汽質(zhì)量；
Hi為過(guò)熱蒸汽焓值；
Hd為減溫后蒸汽焓值；
Mc為冷卻液質(zhì)量；
Hc為冷卻液焓值。
總之，減溫減壓裝置的壓力實(shí)現(xiàn)應(yīng)該由蒸汽側(cè)控制，而溫度則由冷卻水側(cè)控制。
減溫器的類型（主要介紹接觸式減溫器）
接觸式減溫器主要分為三種，有噴水型、文丘利型、蒸汽霧化型。以下介紹各種形式減溫器的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用。
噴水型減溫器
優(yōu)點(diǎn)：噴水型減溫器操作非常簡(jiǎn)單；
沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件；
費(fèi)用低；
零蒸汽壓力降。
缺點(diǎn)：低的流量調(diào)節(jié)比能力（蒸汽和冷卻水側(cè)最大3:1）；
達(dá)到飽和溫度的程度低（最好飽和溫度+5℃）；
管道內(nèi)部件容易受沖蝕，使用熱套管可以克服。
應(yīng)用：相對(duì)穩(wěn)定的蒸汽負(fù)荷；
相對(duì)穩(wěn)定的蒸汽流量；
相對(duì)穩(wěn)定的冷卻水溫度；
下游蒸汽的溫度不關(guān)鍵。
文丘利型減溫器
優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)的低壓力降；
操作簡(jiǎn)單（比噴水型略復(fù)雜）；
沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件；
精確控制，通?？梢赃_(dá)到蒸汽飽和溫度+3℃；
適用于穩(wěn)定負(fù)載或變負(fù)載應(yīng)用；
可以安裝于水平或垂直向上；
當(dāng)安裝于垂直管道時(shí)調(diào)節(jié)比可以超過(guò)5:1；
和噴水型相比下游管道的沖蝕小。
缺點(diǎn)：冷卻水必須超過(guò)12kg/h。
應(yīng)用：能適用于大多數(shù)的工廠應(yīng)用，除非水側(cè)的流量調(diào)節(jié)比特別大。
蒸汽霧化型減溫器
優(yōu)點(diǎn)：良好的調(diào)節(jié)比，蒸汽最大的調(diào)節(jié)比可能達(dá)到50:1，但有效的操作和控制的調(diào)節(jié) 比為20:1，水側(cè)的調(diào)節(jié)比相同；
非常緊湊；
壓力降可以忽略；
適用于蒸汽流量變化很大的情況；
適用于其他參數(shù)變化很大的情況；
蒸汽霧化型減溫器本身比文丘利型便宜。
缺點(diǎn)：需要額外的高壓霧化蒸汽；
為了達(dá)到大于5:1的調(diào)節(jié)比，安裝費(fèi)用高，需要在下游安裝循環(huán)裝置。
應(yīng)用：高調(diào)節(jié)比的應(yīng)用；
制程參數(shù)變化大的應(yīng)用。
關(guān)于減溫減壓裝置的注意事項(xiàng)
冷卻水
用于冷卻的水源通常選擇鍋爐補(bǔ)給水、脫礦水、去離子水、凝結(jié)水。而城市用自來(lái)水或制程用水也可能被使用，但取決于給水的硬度，因?yàn)樗缚赡軙?huì)積聚在減溫器冷卻水噴口內(nèi)部和減溫器下游管道的內(nèi)壁表面。
通常，冷卻水溫度越高越好，這是因?yàn)闊崴伪壤渌挝蛰^少的熱量達(dá)到蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)快從而產(chǎn)生更加高效的減溫效果。使用熱水也能減少水跌落到管道內(nèi)壁的量，因此應(yīng)該對(duì)給水管道進(jìn)行保溫。但應(yīng)當(dāng)注意的是，高溫冷卻水應(yīng)避免通過(guò)控制閥是發(fā)生閃蒸。
那么，對(duì)于冷卻水的壓力是否有要求呢？冷卻水的壓力必須大于管道內(nèi)的蒸汽壓力，而具體則取決于不同的型號(hào)，其中噴水型減溫器中冷卻水壓力最少應(yīng)比蒸汽壓力大0.5bar，文丘利型減溫器中冷卻水壓力最少應(yīng)比蒸汽壓力大0.1bar，蒸汽霧化型中冷卻水壓力至少應(yīng)等于蒸汽壓力。
減溫器下游管道設(shè)計(jì)
在減溫過(guò)程之中，霧化后的水滴需與蒸汽混合，而水滴蒸發(fā)（伴隨著蒸汽冷卻）是一個(gè)需要時(shí)間的過(guò)程，不會(huì)瞬間完成。因此，大部分的減溫過(guò)程不是發(fā)生在減溫器內(nèi)部，而是在減溫器出口的下游管道內(nèi)。所以，對(duì)一個(gè)良好的減溫器來(lái)說(shuō)，下游的管道設(shè)計(jì)十分重要。
如果水滴與蒸汽混合不良，其便不能從過(guò)熱蒸汽中有效吸收熱量，那么水滴的蒸發(fā)過(guò)程就不徹底，導(dǎo)致減溫器下游有水滴溢出，減溫器出口溫度無(wú)法控制。為了水滴更好的蒸發(fā)，水滴應(yīng)該盡可能長(zhǎng)時(shí)間的懸浮在下游管道中，為了確保這一點(diǎn)，下游管道應(yīng)該保持相對(duì)高的流動(dòng)速度以維持足夠的湍流。因?yàn)樵撍俣纫哂谝话愕恼羝峙湎到y(tǒng)的蒸汽流速，故而減溫器和相應(yīng)的下游管道通常（并非所有）要比蒸汽分配系統(tǒng)管道小（選擇恰當(dāng)值）。
另外，如若冷卻水液滴滴落在管道上，將造成熱應(yīng)力破壞管道管壁。
減溫減壓系統(tǒng)安裝注意點(diǎn)
減溫器安裝方向：
減溫器可以水平或者垂直安裝，垂直方向安裝時(shí)蒸汽必須向上流動(dòng)，而冷卻水管道應(yīng)該從下方連接至減溫器的相應(yīng)連接口，這種布置方式可確保有最佳的排水效果。對(duì)于水平方向安裝的減溫器而言，冷卻水的連接口則應(yīng)當(dāng)向下，其他方向雖也能達(dá)到滿意的操作，但排水效果要較差。
減溫器和減壓閥之間距離：
減溫器至少位于減壓閥下游5倍的管徑或1.5m距離。
壓力、溫度感應(yīng)器安裝位置：
其中壓力感應(yīng)器至少位于減溫器下游1.5m，能夠補(bǔ)償減溫器和管線的壓力損失。
減溫器和溫度感應(yīng)器之間的距離是至關(guān)重要。如果溫度感應(yīng)器過(guò)分接近減溫器，在冷卻水滴的蒸發(fā)尚不充分時(shí)，溫度感應(yīng)器就會(huì)給出錯(cuò)誤的讀數(shù)。溫度感應(yīng)器的位置（溫度感應(yīng)器與減溫器之間的距離）取決于很多因素．其中最重要的是蒸汽剩余過(guò)熱度的值，如下所示有據(jù)不同的蒸汽剩余過(guò)熱度而推薦的溫度感應(yīng)器與減溫器之間距離。
蒸汽剩余過(guò)熱度℃ 距離 （米）
5 7.50
10 6.80
15 6.25
30 5.00
50 3.70
100 2.50