南京化工園區飽和蒸汽的回收利用

文 _ 何宇 南京化工園事業公司生產部

南京化工園區飽和蒸汽的回收利用

文 _ 何宇 南京化工園事業公司生產部

南京化學工業園公用事業有限責任公司是以水、汽、污水輸送等公用工程服務為主要業務的綜合性管理公司。隨著化工園區的規模擴大，電廠的規模卻沒有隨之增大，園區蒸汽的供需矛盾愈發突出；同時，化工園區的部分化工企業在生產中產生大量的熱能，同步衍生出部分余熱蒸汽。在能源日趨緊張的今天，對于化工生產所產生的余熱蒸汽的再利用尤為重要。

1 現狀

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返供蒸汽，由于該化工企業返供的是飽和蒸汽，并不適合遠距離傳輸，直接并入蒸汽熱網容易造成水擊，因此，就必須對其先進行處理，使該飽和蒸汽有一定的過熱度后再使用。

該企業供應的飽和蒸汽壓力為2.2MPa（表壓）左右，而化工園區的蒸汽管網總共有三個等級，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流降壓的手段，并入1.5MPa等級（實際運行壓力1.2MPa）蒸汽管網。

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，即干度＜1，這就意味著水蒸汽落入這個區就會有凝液。而該線上部為干蒸汽區，點落在此區不會有凝液析出。

圖1

一般蒸汽減壓有兩種情況：絕熱膨脹和節流膨脹。絕熱膨脹為等熵過程，如電廠的蒸汽透平（朗肯循環）。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就是該壓力下的飽和點，對這點進行減壓（沿等熵線），減壓后的點必然落入濕蒸汽區，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）。 根據朗肯循環定義，在進入蒸汽透平之前，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，否則會損害汽輪機。當然朗肯循環是理想方式，實際過程是一個熵增過程，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，即會析出凝液。

對于節流膨脹來說，蒸汽節流過程是一個等焓過程，氣體通過節流原件，因為節流過程時間很短，我們可以理解為氣體來不及與外界發生能量交換，所以可以認為是絕熱過程，Q=0，并且該過程沒有對外做功，則W=0, 節流后的動能和位能變化可以忽略不計，那根據穩流體系能量方程，得到過程焓變為0，也就是等焓過程。然而這只是對于理想氣體使用，對于實際氣體，則問題復雜得多。圖1中綠線為等焓線，如蒸汽經過閥門或者其他一些節流元件減壓，在這個過程中又有兩種情況，這是因為干飽和蒸汽線在 20到 50個大氣壓之間出現拐點，在拐點左側的點進行減壓，開始的時候會落到濕蒸汽區，出現凝液，但是繼續減壓，又會重新回到干蒸汽區，此時凝液消失。而在拐點右側的點，減壓后則始終處于干蒸汽區，永遠不會出現凝液。

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，然后沿實際過程減壓，找到等焓線或等熵線與等壓線交點，可以得出2.2MPa（表壓）在降壓過程，則始終處于干蒸汽區，永遠不會出現凝液。

同時根據節流效應系數( 也可以稱joule-thomson系數）判斷，雖然理想氣體節流后溫度不變，但實際上對于蒸汽，節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飽和溫度的降低要小很多，這就說明此時蒸汽的真實溫度要高于減壓后壓力對應的飽和蒸汽溫度（一般會低于減壓前的溫度），所以經過節流膨脹后，蒸汽變成了過熱蒸汽。工程上，大多數時候，在蒸汽節流膨脹后，會加入少許冷凝水降低溫度，這個過程稱為蒸汽的降壓降溫過程。

3 實際情況的計算和操作

在實際計算中，我們可以理解為氣體來不及與外界發生能量交換，所以可以認為是絕熱過程，Q=0，并且該過程沒有對外做功，則W=0，同時雖然蒸汽在絕熱不作軸功的流動過程中，氣體動能的增加，等于氣流的焓降，絕熱過程的焓降等于技術功。由于節流過程時間很短，同時在并入熱網后蒸汽動能基本不變，節流后的動能和位能變化可以忽略不計，那根據穩流體系能量方程，得到過程焓變為0，也就是等焓過程。

因此計算過程如下：絕壓2.3MPa的飽和蒸汽的熱值2801.09kJ/kg 對應溫度為219.596℃；絕1.3MPa的飽和蒸汽的熱值為2786.99kJ/kg 對應溫度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該會有一些過熱，至于過熱幾度根據下面的數據，絕壓1.3MPa蒸汽，熱值為2801.09kJ/kg時對應的溫度為219.05℃。由于節流過程，不可避免會存在一些熱能轉化為技術功，因此，節流后溫度會比計算出的溫度有所偏低。

根據上述計算可以看出，2.2MPa（表壓）飽和蒸汽經過降壓到1.2MPa（表壓）后，會變成過熱蒸汽。過熱度約為28～29℃，與原先管網里的280℃左右的過熱蒸汽混合后，可以再次升溫，完全能夠遠距離進行傳輸。

由于該企業供汽的位置在化工園區第一根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，也要兼顧到引入點后用汽單位的蒸汽用量；在消化掉該返供蒸汽的同時，也要使用部分園區電廠供應的蒸汽流，確保蒸汽不會出現反向流和滯流的情況。

4 結語

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