南京化工园区饱和蒸汽的回收利用

文 _ 何宇 南京化工园事业公司生产部

南京化工园区饱和蒸汽的回收利用

文 _ 何宇 南京化工园事业公司生产部

南京化学工业园公用事业有限责任公司是以水、汽、污水输送等公用工程服务为主要业务的综合性管理公司。随着化工园区的规模扩大，电厂的规模却没有随之增大，园区蒸汽的供需矛盾愈发突出；同时，化工园区的部分化工企业在生产中产生大量的热能，同步衍生出部分余热蒸汽。在能源日趋紧张的今天，对于化工生产所产生的余热蒸汽的再利用尤为重要。

1 现状

南京化工园原有热用户60余家，其中能够返供蒸汽的只有2家。2013年9月份又新增一家化工企业返供蒸汽，由于该化工企业返供的是饱和蒸汽，并不适合远距离传输，直接并入蒸汽热网容易造成水击，因此，就必须对其先进行处理，使该饱和蒸汽有一定的过热度后再使用。

该企业供应的饱和蒸汽压力为2.2MPa（表压）左右，而化工园区的蒸汽管网总共有三个等级，第一是4.3MPa（表压），410℃；第二是2.7MPa（表压），340℃；第三是1.5MPa（表压），280℃。可以看出，该饱和蒸汽只能够通过节流降压的手段，并入1.5MPa等级（实际运行压力1.2MPa）蒸汽管网。

2 饱和蒸汽减压后的变化

图1中最重要的就是那根干饱和蒸汽线，其干度为1，所有条件下饱和蒸汽都在这条线上，这条线以下为湿蒸汽区，即干度＜1，这就意味着水蒸汽落入这个区就会有凝液。而该线上部为干蒸汽区，点落在此区不会有凝液析出。

图1

一般蒸汽减压有两种情况：绝热膨胀和节流膨胀。绝热膨胀为等熵过程，如电厂的蒸汽透平（朗肯循环）。图1中红线为等熵线，在干饱和蒸汽线上与任意等压线的交点就是该压力下的饱和点，对这点进行减压（沿等熵线），减压后的点必然落入湿蒸汽区，即肯定是有凝液析出 （这就意味着饱和蒸汽减压不可能是过热蒸汽）。 根据朗肯循环定义，在进入蒸汽透平之前，蒸汽都是需要在锅炉中加热到饱和蒸汽，接着都在蒸汽过热器中定压变成过热蒸汽，这就是为了避免在透平后大量凝液析出，否则会损害汽轮机。当然朗肯循环是理想方式，实际过程是一个熵增过程，即等熵线微微右斜。但不管怎样，饱和蒸汽减压必落入湿蒸汽区，即会析出凝液。

对于节流膨胀来说，蒸汽节流过程是一个等焓过程，气体通过节流原件，因为节流过程时间很短，我们可以理解为气体来不及与外界发生能量交换，所以可以认为是绝热过程，Q=0，并且该过程没有对外做功，则W=0, 节流后的动能和位能变化可以忽略不计，那根据稳流体系能量方程，得到过程焓变为0，也就是等焓过程。然而这只是对于理想气体使用，对于实际气体，则问题复杂得多。图1中绿线为等焓线，如蒸汽经过阀门或者其他一些节流元件减压，在这个过程中又有两种情况，这是因为干饱和蒸汽线在 20到 50个大气压之间出现拐点，在拐点左侧的点进行减压，开始的时候会落到湿蒸汽区，出现凝液，但是继续减压，又会重新回到干蒸汽区，此时凝液消失。而在拐点右侧的点，减压后则始终处于干蒸汽区，永远不会出现凝液。

从上面的分析可以看出，饱和蒸汽减压并不是想象的那么简单，而是要具体问题具体分析。想要看减压后的水多不多，还是需要看水蒸气的焓熵图。具体方法是：先确定实际的减压过程是那种，在干饱和蒸汽线上找到 2.2MPa（表压）的饱和点，然后沿实际过程减压，找到等焓线或等熵线与等压线交点，可以得出2.2MPa（表压）在降压过程，则始终处于干蒸汽区，永远不会出现凝液。

同时根据节流效应系数( 也可以称joule-thomson系数）判断，虽然理想气体节流后温度不变，但实际上对于蒸汽，节流膨胀后温度稍微下降。但是比起压力的降低造成蒸汽对应饱和温度的降低要小很多，这就说明此时蒸汽的真实温度要高于减压后压力对应的饱和蒸汽温度（一般会低于减压前的温度），所以经过节流膨胀后，蒸汽变成了过热蒸汽。工程上，大多数时候，在蒸汽节流膨胀后，会加入少许冷凝水降低温度，这个过程称为蒸汽的降压降温过程。

3 实际情况的计算和操作

在实际计算中，我们可以理解为气体来不及与外界发生能量交换，所以可以认为是绝热过程，Q=0，并且该过程没有对外做功，则W=0，同时虽然蒸汽在绝热不作轴功的流动过程中，气体动能的增加，等于气流的焓降，绝热过程的焓降等于技术功。由于节流过程时间很短，同时在并入热网后蒸汽动能基本不变，节流后的动能和位能变化可以忽略不计，那根据稳流体系能量方程，得到过程焓变为0，也就是等焓过程。

因此计算过程如下：绝压2.3MPa的饱和蒸汽的热值2801.09kJ/kg 对应温度为219.596℃；绝1.3MPa的饱和蒸汽的热值为2786.99kJ/kg 对应温度191.644℃。2.3MPa等级饱和蒸汽降压为1.3MPa蒸汽其中剩余的热量为2801.09-2786.99=14.1 kJ/kg。从能量的角度来看应该会有一些过热，至于过热几度根据下面的数据，绝压1.3MPa蒸汽，热值为2801.09kJ/kg时对应的温度为219.05℃。由于节流过程，不可避免会存在一些热能转化为技术功，因此，节流后温度会比计算出的温度有所偏低。

根据上述计算可以看出，2.2MPa（表压）饱和蒸汽经过降压到1.2MPa（表压）后，会变成过热蒸汽。过热度约为28～29℃，与原先管网里的280℃左右的过热蒸汽混合后，可以再次升温，完全能够远距离进行传输。

由于该企业供汽的位置在化工园区第一根DN500低压蒸汽母管的中部，考虑到蒸汽的流向问题，在该蒸汽引入的同时，也要兼顾到引入点后用汽单位的蒸汽用量；在消化掉该返供蒸汽的同时，也要使用部分园区电厂供应的蒸汽流，确保蒸汽不会出现反向流和滞流的情况。

4 结语

综上所述，该企业2.2MPa（表压）等级的饱和蒸汽通过节流降压等技术措施，可并入南京化学工业园区的低压蒸汽管网，该饱和蒸汽的回收利用可以有力地缓解化工园区的蒸汽紧张的状况。