蒸汽的绝热节流与应用探讨

沈粹卿，曹伟伟

（江苏中建致远工程技术有限公司，江苏扬州225115）

目前余热锅炉已经在硫酸行业普遍应用，所产蒸汽有饱和蒸汽和过热蒸汽两种，蒸汽压力均为中压。饱和蒸汽一般在减压后供化工装置使用，过热蒸汽一般用于驱动汽轮机带动发电机或工业机泵。中压蒸汽一般在减压后供至压力低于1.0 MPa的低压蒸汽管网。过热蒸汽在遇到设备停用而锅炉继续运行时，要通过减温减压后供至低压蒸汽管网，因此蒸汽绝热节流过程是常见的生产过程。

1 绝热节流过程原理分析

气体在管道的流动过程中，由于受到局部阻力（如减压阀等）而压力下降，而气体与外界并没有热交换，这种现象称为绝热节流，简称为节流[1]。

气体节流截面示意见图1。

图1 气体节流截面示意

气体在接近孔口时截面积突然缩小，流速迅速增加。经过孔口之后，截面积又逐渐扩大，流速又渐渐减低。由于各截面上的焓与动能总值不变，即是定值，故气体的焓值在接近孔口时将减小，而流过孔口后又逐渐增加。因为有强烈的扰动，气体状态是极不平衡的，不能用热力学方法加以分析。但在距孔口较远的地方，如图1截面1-1和2-2，气体的状态是平衡的，对此两截面用绝热流动的能量守恒式表示，可得：

式中：i——气体的焓；

C——气体流速；

g——重力加速度；

A——热功当量系数。

在工业生产情况下，C1与C2的差别不大，与i和i相比极小，可忽略不计，于12是就得到式(2)：

这表明在经过节流之后，气体的焓仍回到原值，这为后续讨论奠定了基础。

2 节流后的温度变化

对于理想气体i=f(T)，故焓值不变，则温度也不变。对于实际气体，特别是蒸汽，问题要复杂得多。节流后气体的温度可以降低、升高或者不变，要依节流时气体所处的状态而定。

节流不引起温度变化时的气流温度称为转回温度T(转)。若气体在节流前气体的温度低于转回温度，节流后温度将降低；若节流前气体的温度高于转回温度，节流后温度将升高。

资料[2]提出，在简化条件下可导得：

T(临)为气体的临界温度，可从基础数据资料查得。按式(3)可以近似估算各种气体的转回温度。对于一般临界温度不太低的气体，T(转)有很高的数值。故在通常温度下，大多数气体在节流后温度是降低的。水蒸气的临界参数为：温度374.15 ℃、压力 22.57 MPa。按式 (3)计算，水蒸气 T(转)为 2 525 ℃，温度极高，远高于工程上的使用温度。所以水蒸气节流后的温度是降低的。

因节流是不可逆的绝热过程，所以蒸汽节流后的熵值总是增加的，即节流后蒸汽的工作能力必然减小。

3 水蒸气的节流过程

利用水蒸气的焓-熵图（i-s图）可以很方便地计算出节流后的蒸汽参数，详见图2。

图2 水蒸气的焓-熵图

在图2中，节流前状态是点1，参数为t1、p1，从点1作S轴的水平线与节流后的压力为p2的定压线相交于点2，此即节流后的状态点（i1=i2），可见温度t2低于t1。由图2还可见S2＞S1，即熵是增加的。

3.1 饱和蒸汽的节流

某锅炉的运行参数为2.4 MPa的饱和蒸汽，从资料[2]可查得 T(饱)=220.75 ℃，相应参数为：比容为 0.084 86 m3/kg，焓值为 2 797.256 kJ/kg，熵值为6.302 186 kJ/(kg·K)。需要把蒸汽节流后降压到0.8 MPa（供气到 1.0 MPa的管网）。查 0.8 MPa 的饱和蒸汽温度为169.6 ℃。

图2上从点1作等焓线与p2=0.8 MPa的等压线交于点2，查得对应的蒸汽温度为172 ℃，熵值 为 6.729 8 kJ/(kg·K)， 蒸 汽 温 度 降 低 8.75 ℃，熵值增加0.418 kJ/(kg·K)，此蒸汽对于0.8 MPa的饱和蒸汽已经是过热蒸汽，过热温度为2.4 ℃，对管道没有任何影响。

节流后蒸汽的比容会增大，0.8 MPa饱和蒸汽的比容为0.242 8 m3/kg，为节流前蒸汽的2.88倍。在保持蒸汽流速相同的条件下，低压蒸汽管道的截面积要相应增大。如果原低压管网留有较大余地，就不需要增大。节流装置可通过设置2道减压阀来实现。为保证低压管网的安全，在低压管网进口要安装1.0 MPa的安全阀。

笔者原工作的南京化学工业公司氮肥厂硫酸车间有2套100 kt/a硫铁矿制酸装置，所配余热锅炉生产2.0 MPa饱和蒸汽（饱和温度211 ℃），通过2道人工节流调节阀减压到0.8 MPa（节流后温度183 ℃），供全厂低压管网。笔者参与建设的东南亚某国50 t/d硫磺制酸装置，余热锅炉产1.3 MPa的饱和蒸汽（饱和温度191 ℃)，通过PN2.5、DN80的电动调节阀减压到0.6 MPa（ 节流后温度171 ℃）供车间熔硫装置使用。以上装置在低压管网进口都安装1.0 MPa的安全阀。

3.2 过热蒸汽的节流

某锅炉产生过热蒸汽，参数为 3.5 MPa、440 ℃，现要节流减压至0.8 MPa。按相同的节流过程，可查得节流后的蒸汽温度为422 ℃，温度降低18 ℃，熵值也相应增加。当然，过热蒸汽是不能节流减压的，因节流后的温度高达422 ℃，远高于0.8 MPa的蒸汽饱和温度，过热度达252 ℃，远高于低压管网的参数要求。如果要降压供至低压管网，必须设置减温减压装置，用喷水来降低蒸汽参数。

笔者通过计算，用102 ℃的给水来减温，每吨过热蒸汽需要喷入 223 kg 水，生成 122 3 kg 的 0.8 MPa饱和蒸汽。

4 结论

1）蒸汽通过节流可完成减压，节流后蒸汽温度下降。

2）饱和蒸汽节流后可直接通过减压阀实现减压减温。

3）过热蒸汽节流减压，要增设减温减压装置，通过喷水实现减温减压。