蒸汽减温器减温模型探讨

（实华（天津）石油化工工程有限公司，天津300384）

蒸汽减温器是广泛应用在电力、石化、冶金、造纸等工业领域调节温度的装置，应用在节能环保方面则直接参与“变废为宝”过程。其减温工作原理为通过喷入适当的冷却水，来降低过热蒸汽的温度，以满足生产所需。由于减温器涉及气、液两种流体，为典型的两相流，而且发生复杂的传热传质交换。之前国内文献建立的减温模型多利用FLUNT等工程软件结合连续、动量、能量守恒进行计算机数值仿真，但其过程不光繁琐、注意事项较多，在工程设计方面仍有较大误差，而且其模拟的是大量液滴的运动，反应的是平均意义上的概念，[1]这样容易忽略掉一些至关重要的临界控制量。下面我们进行探讨。

图1 减温器实样

图2 减温器示意图

1 建模目的

建立减温模型是想要求得我们想要的物理量，从而达到为工程设计服务的目的。

首先，完全蒸发时间。测温器件的安装点以往多采用经验方式，取管道直径的倍数来确定安装距离。而通过测算出水滴完全蒸发的时间，乘以蒸汽速度得到目的结果，这是方法上的进步[2]。

其次，相关的边界值和限定条件。如怎样的设计、怎么样的物理量才能保障减温水不滴落到管壁上或者减温器内不产生积液。若非在启动、喷水阀泄露、温度控制系统不能正常工作等不正常工况下，减温器测温点后不允许存在液态形式的水。又如怎样的限定条件，能缩短液滴蒸发时间。

最后，利用模型，分析条件，对减温系统的关键元件做到正确的选型。

2 模型假定条件

A 近似认为蒸汽是连续相，管道中喷射出的雾化液滴为分散相。

B 假定减温水滴均匀覆盖整个管径。实际工程设计上，要求减温水滴距离管壁有一定的间隙，以防在蒸汽喘流和水滴自身重力作用下，会冲落到管壁上。

C 整个减温系统对外界绝热；忽略沿程阻力。

D 假定出口蒸汽温度为当前压力下的饱和温度。实际生产和工程设计中出口蒸汽温度一般略高于饱和温度几摄氏度，以防水滴冷凝析出。且二者之间的物性相差较小，故近似认为出口蒸汽温度为饱和温度。

E 由于工程上的需要，在多个喷头存在的情况下，水滴喷射重叠区域也假定颗粒与颗粒之间不存在碰撞、合并等情形。

F 减温器内过热蒸汽只沿轴向运动，各个进出口界面上气体的物性参数分布均匀。

3 建立减温模型

3.1 减温过程描述

过热蒸汽进入到管道内，当遇到减温水时：（1）蒸汽损失热量用以加热液体，直至达到饱和温度；（2）液体获得热量，先达到其沸点，随着吸收更多的热量，产生相变过程，由液态转化为气态。从而实现整体上过热蒸汽减温的目的（图1，2）。

3.2 研究手段

两相流的研究是从实验开始的。后来由于计算方法和计算手段的发展，才进入解析研究。但是直到目前，许多问题仍通过实验方法来解决[3]。

将减温水作为考察对象，把整个减温过程考虑成减温水受蒸汽影响的过程。把减温水从液态到气态转化的整个过程划分为一级雾化、二级雾化和蒸发三个阶段。把减温总体划分为三个相互联系的独立实验部分，这样的目的是为了更具体更直观的进行实验模型研究，化繁为简，从而抓住问题的实质。

3.3 建立实验模型

3.3.1 一级雾化

此过程是单纯的物理过程，减温水通过喷嘴被破碎为雾状水珠。实验证明雾状水珠直径的上限为250μm[4]，否则在重力场作用下，容易碰撞到管壁上，造成管道积水，甚至于管壁的破坏。

图3 固定喷嘴

图4 可变面积喷嘴

目前较多使用的喷嘴形式有固定喷嘴和可变面积喷嘴两种形式（图3，4）。喷嘴是减温器的重要元件。

下面引入喷嘴调节比的概念，即最大喷水量与最小喷水量之比，固定喷嘴一般为3左右，而可变面积喷嘴能达20以上，尤其在一些热回收装置中，需要的调节比较高，可变面积喷嘴能较好的满足条件。

3.3.2 二级雾化

此过程是雾化水滴再次破碎的过程。经过一级雾化后的雾化水滴从喷嘴喷出后，被速度在20～80m/s之间（不在此区间的蒸汽速度，需另外探讨）的过热蒸汽冲击，雾化水滴有明显的破碎现象。

两相流的实验模化，要求保证单值性和模化准则相同和相等，其条件与准则数有很多，我们根据经验选定韦伯数来表示，为惯性力与表面张力的关系。

d为水滴直径；ρ为蒸汽密度；σ为雾化微粒的表面张力；υ为蒸汽和雾化微粒的相对速度；We为韦伯数

实验证明当We＞12时，过热蒸汽流动产生的冲击力就足够破坏雾化微粒的表面，雾化微粒进一步被打碎，直至其 We＜12。[5]

同样，我们分析图3和图4所示的两种喷嘴的二级雾化效果，因为可变面积喷嘴有更高的相对速度（其垂直喷入蒸汽中），会有更高的韦伯数，进而会破碎的更完全。二次雾化的直接效果是产生直径更小的微粒，为下一步做好基础。

3.3.3 蒸发

此过程是经过二次雾化后小液滴的沸腾和蒸发。小液滴和过热蒸汽均变成饱和温度下的蒸汽。

水滴的蒸发分为两步：首先：水滴在过热蒸汽环境中被加热到沸点；其次，达到沸点的液滴，在过热环境中发生相变，从液态转化到气态。

经过水滴在蒸发阶段的实验，我们得到图5的实验结果。小尺寸水滴最先蒸发引起过热蒸汽温度的降低，而大尺寸的水滴由于更长的时间蒸发，因此蒸发率降低。从经典的传热速率方程：Q=KS△T可知[6]，在总传热系数 以及温度差△T相等的条件下，热通量同雾化微粒的受热面积成正比。相同的质量下，较小的雾化微粒拥有更大的传热面积，会蒸发的越快。

为了实现液态水更好的蒸发，也为了实现减温温度得到更精确的控制，减温水的温度一般不宜过冷。如以某公司减温器实例：蒸汽进出口压力为1.1MPa,进口温度450℃，出口温度260℃，所用的减温水其压力为5.1 MPa,温度为104℃。减温水温也不能过高，否则的话，容易在喷嘴内形成闪蒸。温度较高的减温水量欲达到理想的减温效果，耗用量自然会增加，但减温水体积占蒸汽体积的比值，根据不同的装置会有进一步的限制，工程技术人员在多年实践中也总结出一些经验数值。此问题以及减温水

图5 不同水滴尺寸蒸发时间

4 模型评价

国外某厂家通过数百套正在正常工作的减温装置可证明，利用此模型指导实践充分有效[2]。

5 结论

本文采用分割阶段独立实验的方法，获得了减温器一些重要物理量的实际数值或限定条件，实现了减温器部分元件的选型，相关数据为减温器的工程设计提供了有益的参考。

[1]侯志鹏.减温减压器结构设计与实验研究[D].哈尔滨.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院轮机工程,2009.

[2]Peter Borzsony,李雪凤.优化旁路系统的性能和可靠性以确保热电厂的安全生产[C],2012年热电联产节能降耗新技术研讨会.武汉:中国能源学会，2012:4-P6.

[3]鲁钟琪.气液两相流和沸腾传热 [M].北京:清华大学出版社,2002:36-P38.

[4]Sanjay V Sherikar,Peter Borzsony.Tight specs,good engineering,quality manufacture ensure reliable control of steam temperature[J].COMBINED CYCLE JOURNAL,First Quarter 2005:25-28.

[5]Sanjay V Sherikar,Peter Borzsony.Designing HRSG desuperheaters to performance and reliability[J].POWER,March 2006:2-4.

[6]夏青,陈常贵.化工原理[M].天津:天津大学出版社,2005:235.