一种蒸汽压力和温度协同调节的装置及方法与流程

本发明涉及阀后蒸汽的温度和压力调节，具体是一种减温减压器。

背景技术：

现代工业特别是热能工程中广泛使用蒸汽作为工作介质，如电力、化工、纺织等行业，需要调节蒸汽的温度和压力，以满足用户对蒸汽参数的使用需求。减温减压器在转变蒸汽热能参数的同时能够有效利用余热，起到节约热能的作用。

现有减温减压装置的工作原理主要是将过热蒸汽与冷却水进行热质交换，通过冷却水在减温器中发生雾化、升温和汽化等一系列变化来实现。冷却水与蒸汽的接触面积一般较小，影响减温减压效果，导致温度变化反应慢，控制不够准确。同时，冷却水和蒸汽的比例难以把握准确，冷却水过少导致出口蒸汽过热度偏高，冷却水过量则降低出口蒸汽的质量。

技术实现要素：

本发明针对现有减温减压装置使用过程中的不足，提供了一种蒸汽压力和温度协同调节的装置，可以提高出口蒸汽的品质，满足使用需求。

本发明采用如下的技术方案：

一种蒸汽压力和温度协同调节的装置，其包括蒸汽入口段、节流减压段、多级孔板、混合减温段、气液分离段和蒸汽出口段，所述节流减压段为渐缩渐扩结构，其中渐缩管大口径端与蒸汽入口段相连，渐扩管的大口径端连接多级孔板；所述混合减温段为双层嵌套结构，其中内层为穿孔管，外层为冷却水雾化管，所述穿孔管外侧环绕有翅片，所述冷却水雾化管上朝外开设有若干斜孔入口，冷却水通过所述斜孔入口以雾状进入冷却水雾化管内腔，并通过与所述翅片换热后进入穿孔管中与管内蒸汽接触；所述穿孔管一端通过多级孔板与蒸汽入口段渐扩管的大口径端连通，另一端连通气液分离段；所述气液分离段的管体沿程设有若干内侧挡板，用于分离流经的蒸汽中的液滴；气液分离段末端连通蒸汽出口段。

作为优选，所述多级孔板的外径和节流减压段渐扩管的大口径端的内径相等，也和冷却水雾化管的内径相等。

作为优选，所述多级孔板上的开孔区域仅位于所述穿孔管的连接端范围内。

作为优选，所述冷却水雾化管上共有4列斜孔入口，每一列斜孔入口的排布方向与冷却水雾化管轴向平行，4列斜孔入口沿管道周向均匀分布。

作为优选，所述冷却水雾化管上的斜孔入口的入流方向与所述穿孔管中的蒸汽流向相逆，且斜孔入口的孔径大于穿孔管上的开孔孔径。

作为优选，所述穿孔管上的开孔共有10列，且相邻两列之间呈45°错开分布，位于所述斜孔入口下方的开孔与斜孔入口一一错开。

作为优选，所述穿孔管内外侧均喷涂有防锈涂层。

作为优选，所述气液分离段中，各内侧挡板沿轴线不对称交错分布。

作为优选，所述气液分离段中，各内侧挡板间的液滴汇集区域的流出端与排液管相连。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置的蒸汽压力和温度协同调节的方法，其具体方法为：将蒸汽从蒸汽入口段通入，在流通过程中首先利用节流减压段的渐缩渐扩结构，使流通截面积的变化速度大于蒸汽容积的增加速度来实现蒸汽压力的初步降低；然后蒸汽通过多级孔板，利用节流孔的降压原理进一步降低蒸汽压力，使蒸汽温度也进一步降低；再后，蒸汽进入穿孔管中，利用冷却水雾化管对注入的冷却水进行雾化，雾化后的冷却水与蒸汽充分混合，蒸汽热量被吸收，造成温度和压力的下降，同时穿孔管外侧的翅片也在雾化冷却水进入穿孔管的过程中，增加散热面积，空冷和水冷结合，进一步降低蒸汽的温度和压力。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的减温减压装置利用多级减压装置逐渐降低压力，根据实际入口蒸汽压力和使用需求改变节流孔板的级数，相比单级减压装置可以有效减少能量损失；

(2)本发明所述的减温减压装置中，冷却水以雾状喷入混合减温段与蒸汽充分混合，减小因容积变化产生的振动和噪音，同时接触面积可以随时增加或减小，可以根据实际温度变化情况实现精确控制，不会在某些部位发生温度聚变导致装置损坏；

(3)本发明所述的减温减压装置中，部分冷却水吸收热量发生汽化，从而增加蒸汽容积，混合蒸汽里的液体附着在挡板上，在重力的作用下通过排液管排出实现气液分离，从而保证出口蒸汽的品质。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为本发明所涉及的减温减压装置的结构示意图；

图2为本发明所涉及的节流孔板的示意图。

图中：1、蒸汽入口段；2、节流减压段；3、多级孔板；4、冷却水雾化管；5、穿孔管；6、气液分离段；7、蒸汽出口段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明的一个较佳实施例中提供的一种蒸汽压力和温度协同调节的装置，其主要结构包括蒸汽入口段1、节流减压段2、多级孔板3、混合减温段、气液分离段6和蒸汽出口段7。其中，节流减压段2为渐缩渐扩结构，上游的是渐缩管，下游的是渐扩管。其中渐缩管大口径端与蒸汽入口段1相连，渐扩管的大口径端连接多级孔板3。如图2所示，多级孔板3是一个开设有众多节流孔的孔板，多级孔板3的级数根据使用需求确定，可以设置单级，也可以设置多级。多级孔板3上的开孔数也可以根据需要调整。混合减温段为双层嵌套结构，其中内层为穿孔管5，外层为冷却水雾化管4。穿孔管5外侧环绕有翅片，翅片尽量包裹穿孔管5的外围，用于强化管内蒸汽与管外冷却水的换热。冷却水雾化管4上朝外开设有若干斜孔入口，冷却水通过这些斜孔入口以雾状进入冷却水雾化管4内腔，并通过与翅片换热后进入穿孔管5中与管内蒸汽接触。穿孔管5一端通过多级孔板3与蒸汽入口段1渐扩管的大口径端连通，另一端连通气液分离段6。为了使蒸汽能全部进入穿孔管5内，本实施例中多级孔板3上的开孔区域仅位于穿孔管5的连接端范围内。

在本实施例中，冷却水雾化管4上共有4列斜孔入口，每一列斜孔入口的排布方向与冷却水雾化管4轴向平行，4列斜孔入口沿管道周向均匀分布。另外，冷却水雾化管4上的斜孔入口的入流方向与穿孔管5中的蒸汽流向相逆，且斜孔入口的孔径大于穿孔管5上的开孔孔径。

而穿孔管5上的开孔共有10列，且相邻两列之间呈45°错开分布，位于斜孔入口下方的开孔与斜孔入口一一错开，防止冷却水直接喷入穿孔管5上的开孔中。穿孔管5内外侧均喷涂有防锈涂层，防止冷却水中含有的杂质腐蚀表面，影响出口蒸汽的热量。

气液分离段6的管体沿程设有若干内侧挡板，用于分离流经的蒸汽中的液滴。气液分离段6末端连通蒸汽出口段7。在本实施例中，气液分离段6中各内侧挡板沿轴线不对称交错分布。气液分离段6将出口蒸汽中的液滴分离，提高蒸汽品质。蒸汽中的液滴会在经过气液分离段6时，由于内侧挡板的阻挡作用导致液滴碰撞聚集，进而聚集在内侧挡板的底部。为了方便这些液滴的排出，可以在气液分离段6中设置排液管，将各内侧挡板间的液滴汇集区域的出口流出端与排液管相连，对其聚集的液体进行排放。

在上述蒸汽压力和温度协同调节装置中，可通过4个要点来实现减温减压：一是利用节流减压段2的流通截面积的变化速度大于蒸汽容积的增加速度来实现蒸汽压力的初步降低；二是利用节流孔的降压原理进一步降低蒸汽压力，饱和蒸汽的温度也进一步降低；三是利用雾化后的冷却水与蒸汽充分混合，蒸汽热量被吸收，造成温度和压力的下降；四是混合减温段中的翅片增加散热面积，空冷和水冷结合，进一步降低蒸汽的温度。

本发明中，多级孔板3上的节流孔可以根据使用需要调整数量和大小，冷却水雾化管4上的斜孔入口可以根据需要决定其开启或闭合，以改变冷却水的通道面积来调节流入的冷却水量。冷却水变成雾状通过穿孔管5表面的大量小孔和管内的冷却水接触，实现蒸汽和冷却水的充分混合。

另外，多级孔板3的外径可以和节流减压段2渐扩管的大口径端的内径相等，也和冷却水雾化管4的内径相等，即可以将多级孔板3安装在节流减压段2渐扩管和冷却水雾化管4的管道内壁。当然，其他的安装方式也是可以的。

因此，基于上述装置，可以设计一种蒸汽压力和温度协同调节的方法，其具体过程为：将蒸汽从蒸汽入口段1通入，在流通过程中首先利用节流减压段2的渐缩渐扩结构，使流通截面积的变化速度大于蒸汽容积的增加速度来实现蒸汽压力的初步降低；然后蒸汽通过多级孔板3，利用节流孔的降压原理进一步降低蒸汽压力，使蒸汽温度也进一步降低；再后，蒸汽进入穿孔管5中，利用冷却水雾化管4对注入的冷却水进行雾化，雾化后的冷却水与蒸汽充分混合，蒸汽热量被吸收，造成温度和压力的下降，同时穿孔管5外侧的翅片也在雾化冷却水进入穿孔管5的过程中，增加散热面积，空冷和水冷结合，进一步降低蒸汽的温度和压力。

另外，为了便于冷却水的实时调节，可以在节流减压段2的入口和穿孔管5内均设置温度监测模块和压力监测模块，读取数据返回到数据分析模块，确定冷却水的用量并进行实时调节。

下面利用上述装置和方法，结合实施例说明本发明的具体实现方式

实施方式一：

蒸汽以流量40t/h，压力4.0mpa，温度400℃的初始状态流入蒸汽入口段1，根据测量节流减压段2大口径处的压力和温度，结合用户的使用需求，来确定节流孔板的级数。若要满足节流孔板后前压比达到0.5，可根据公式(1)计算节流孔板的孔洞面积：

式中，g为孔板流量，t/h；t0为孔板前的滞止温度，k；k”为系数，可根据绝热指数查询表格，此处取为0.667；μ为流量系数；p0为孔板前的滞止压力，mpa；g为重力加速度，m/s²；r为气体常数。

孔板的孔洞直径进行圆整后取20mm。孔板的厚度按照公式(2)进行计算：

式中，k’为与孔板结构有关的系数；di为主管内径，mm；[σ]^t为孔板材料在设计温度下的许用应力，mpa；取0.85。

考虑到实际使用情况，加上安全系数后，孔板的厚度取25mm。此时多级多级孔板3设置四块节流孔板，用法兰连接的方式固定在管内。

节流孔板的外径和节流减压段2大口径处的内径相等，也和穿孔管5的内径相等。

冷却水雾化管4共有4列入口沿周向均匀分布，入口均向上倾斜，冷却水雾化管4上的斜孔入口的入流方向与穿孔管5中的蒸汽流向呈45°相逆。斜孔入口的孔径大于穿孔管5上的小孔孔径，使得冷却水以雾状流入穿孔管5内，增加管内的蒸汽总容积，减少由于水滴冲击产生的噪声和振动。

穿孔管5上的小孔共有10列呈45°交错分布，与冷却水入口一一错开，使冷却水和蒸汽充分混合，避免温度聚变导致装置的局部损坏。

穿孔管5外侧装有翅片，增加了换热面积，使管内的蒸汽同时能够空气冷却，提高换热效率；内外侧均喷涂了防锈涂层，防止冷却水中含有的杂质腐蚀表面，影响出口蒸汽的热量，同时延长了装置的使用寿命。

实施方式二：

根据节流减压段2大口径处监测到的蒸汽温度和蒸汽压力和实际使用的需求，确定冷却水的用量来决定冷却水雾化管4中斜孔的开闭。依据气液两相流的相关理论，以物质平衡和热量平衡为计算原则来确定冷却水量，得到公式(3)：

式中，wcw为减温水的用量，kg/h；wos为出口蒸汽的产量，kg/h；his为进口蒸汽的焓值，kj/kg；hos为出口蒸汽的焓值，kj/kg；hcw为冷却水的焓值，kj/kg；h’os为饱和水的焓值，kj/kg，为冷却水中未蒸发部分所占比例。

经计算，要满足出口蒸汽的温度为150℃时，冷却水的初始流量为10.4t/h。

气液分离段6内侧挡板沿轴线不对称交错分布，流出端与排液管相连，冷却水中未汽化的部分在挡板的阻隔下实现气液分离，汇入排液管，从而提高输出蒸汽的品质。

蒸汽出口段7所接的温度监测模块和压力监测模块进行实时监测并分析，不断调节冷却水的流量；若出口蒸汽的温度或压力逐渐偏离出口蒸汽的预设值，及时发出警报。

以上所述的实施案例仅为本发明的具体实施方式，并非本发明的保护范围的限定。熟悉本领域的相关技术人员在本发明的基础上还可以做出其他不同方法的尝试。而由本发明引发出的不经过创造性劳动而进行的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。