蒸汽的絕熱節流與應用探討

沈粹卿，曹偉偉

（江蘇中建致遠工程技術有限公司，江蘇揚州225115）

目前余熱鍋爐已經在硫酸行業普遍應用，所產蒸汽有飽和蒸汽和過熱蒸汽兩種，蒸汽壓力均為中壓。飽和蒸汽一般在減壓后供化工裝置使用，過熱蒸汽一般用于驅動汽輪機帶動發電機或工業機泵。中壓蒸汽一般在減壓后供至壓力低于1.0 MPa的低壓蒸汽管網。過熱蒸汽在遇到設備停用而鍋爐繼續運行時，要通過減溫減壓后供至低壓蒸汽管網，因此蒸汽絕熱節流過程是常見的生產過程。

1 絕熱節流過程原理分析

氣體在管道的流動過程中，由于受到局部阻力（如減壓閥等）而壓力下降，而氣體與外界并沒有熱交換，這種現象稱為絕熱節流，簡稱為節流[1]。

氣體節流截面示意見圖1。

圖1 氣體節流截面示意

氣體在接近孔口時截面積突然縮小，流速迅速增加。經過孔口之后，截面積又逐漸擴大，流速又漸漸減低。由于各截面上的焓與動能總值不變，即是定值，故氣體的焓值在接近孔口時將減小，而流過孔口后又逐漸增加。因為有強烈的擾動，氣體狀態是極不平衡的，不能用熱力學方法加以分析。但在距孔口較遠的地方，如圖1截面1-1和2-2，氣體的狀態是平衡的，對此兩截面用絕熱流動的能量守恒式表示，可得：

式中：i——氣體的焓；

C——氣體流速；

g——重力加速度；

A——熱功當量系數。

在工業生產情況下，C1與C2的差別不大，與i和i相比極小，可忽略不計，于12是就得到式(2)：

這表明在經過節流之后，氣體的焓仍回到原值，這為后續討論奠定了基礎。

2 節流后的溫度變化

對于理想氣體i=f(T)，故焓值不變，則溫度也不變。對于實際氣體，特別是蒸汽，問題要復雜得多。節流后氣體的溫度可以降低、升高或者不變，要依節流時氣體所處的狀態而定。

節流不引起溫度變化時的氣流溫度稱為轉回溫度T(轉)。若氣體在節流前氣體的溫度低于轉回溫度，節流后溫度將降低；若節流前氣體的溫度高于轉回溫度，節流后溫度將升高。

資料[2]提出，在簡化條件下可導得：

T(臨)為氣體的臨界溫度，可從基礎數據資料查得。按式(3)可以近似估算各種氣體的轉回溫度。對于一般臨界溫度不太低的氣體，T(轉)有很高的數值。故在通常溫度下，大多數氣體在節流后溫度是降低的。水蒸氣的臨界參數為：溫度374.15 ℃、壓力 22.57 MPa。按式 (3)計算，水蒸氣 T(轉)為 2 525 ℃，溫度極高，遠高于工程上的使用溫度。所以水蒸氣節流后的溫度是降低的。

因節流是不可逆的絕熱過程，所以蒸汽節流后的熵值總是增加的，即節流后蒸汽的工作能力必然減小。

3 水蒸氣的節流過程

利用水蒸氣的焓-熵圖（i-s圖）可以很方便地計算出節流后的蒸汽參數，詳見圖2。

圖2 水蒸氣的焓-熵圖

在圖2中，節流前狀態是點1，參數為t1、p1，從點1作S軸的水平線與節流后的壓力為p2的定壓線相交于點2，此即節流后的狀態點（i1=i2），可見溫度t2低于t1。由圖2還可見S2＞S1，即熵是增加的。

3.1 飽和蒸汽的節流

某鍋爐的運行參數為2.4 MPa的飽和蒸汽，從資料[2]可查得 T(飽)=220.75 ℃，相應參數為：比容為 0.084 86 m3/kg，焓值為 2 797.256 kJ/kg，熵值為6.302 186 kJ/(kg·K)。需要把蒸汽節流后降壓到0.8 MPa（供氣到 1.0 MPa的管網）。查 0.8 MPa 的飽和蒸汽溫度為169.6 ℃。

圖2上從點1作等焓線與p2=0.8 MPa的等壓線交于點2，查得對應的蒸汽溫度為172 ℃，熵值 為 6.729 8 kJ/(kg·K)， 蒸 汽 溫 度 降 低 8.75 ℃，熵值增加0.418 kJ/(kg·K)，此蒸汽對于0.8 MPa的飽和蒸汽已經是過熱蒸汽，過熱溫度為2.4 ℃，對管道沒有任何影響。

節流后蒸汽的比容會增大，0.8 MPa飽和蒸汽的比容為0.242 8 m3/kg，為節流前蒸汽的2.88倍。在保持蒸汽流速相同的條件下，低壓蒸汽管道的截面積要相應增大。如果原低壓管網留有較大余地，就不需要增大。節流裝置可通過設置2道減壓閥來實現。為保證低壓管網的安全，在低壓管網進口要安裝1.0 MPa的安全閥。

筆者原工作的南京化學工業公司氮肥廠硫酸車間有2套100 kt/a硫鐵礦制酸裝置，所配余熱鍋爐生產2.0 MPa飽和蒸汽（飽和溫度211 ℃），通過2道人工節流調節閥減壓到0.8 MPa（節流后溫度183 ℃），供全廠低壓管網。筆者參與建設的東南亞某國50 t/d硫磺制酸裝置，余熱鍋爐產1.3 MPa的飽和蒸汽（飽和溫度191 ℃)，通過PN2.5、DN80的電動調節閥減壓到0.6 MPa（ 節流后溫度171 ℃）供車間熔硫裝置使用。以上裝置在低壓管網進口都安裝1.0 MPa的安全閥。

3.2 過熱蒸汽的節流

某鍋爐產生過熱蒸汽，參數為 3.5 MPa、440 ℃，現要節流減壓至0.8 MPa。按相同的節流過程，可查得節流后的蒸汽溫度為422 ℃，溫度降低18 ℃，熵值也相應增加。當然，過熱蒸汽是不能節流減壓的，因節流后的溫度高達422 ℃，遠高于0.8 MPa的蒸汽飽和溫度，過熱度達252 ℃，遠高于低壓管網的參數要求。如果要降壓供至低壓管網，必須設置減溫減壓裝置，用噴水來降低蒸汽參數。

筆者通過計算，用102 ℃的給水來減溫，每噸過熱蒸汽需要噴入 223 kg 水，生成 122 3 kg 的 0.8 MPa飽和蒸汽。

4 結論

1）蒸汽通過節流可完成減壓，節流后蒸汽溫度下降。

2）飽和蒸汽節流后可直接通過減壓閥實現減壓減溫。

3）過熱蒸汽節流減壓，要增設減溫減壓裝置，通過噴水實現減溫減壓。