于昊,劉東民,蔡林,劉元春
1 中國(guó)艦船研究院,北京100192
2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北武漢430064
用來(lái)疏泄和收集整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)各類(lèi)汽水管道疏水的管路及設(shè)備,組成了蒸汽動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的疏水系統(tǒng)。疏水系統(tǒng)不僅影響著整個(gè)熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,也關(guān)系到設(shè)備的安全和可靠運(yùn)行。如果蒸汽管路中聚集的凝水不能及時(shí)排掉,就會(huì)引起管道水擊或振動(dòng),輕者損壞支、吊架,重者還會(huì)造成管道破裂和設(shè)備損壞等安全事故[1]。凝水若進(jìn)入汽輪機(jī),還會(huì)造成葉片損壞、機(jī)組振動(dòng)及汽缸變形等惡性事故,嚴(yán)重影響船舶運(yùn)行的可靠性[2]。疏水閥是疏水系統(tǒng)中的重要設(shè)備,起自動(dòng)阻汽疏水的作用。依照動(dòng)作原理,目前工業(yè)中常用的疏水閥有機(jī)械型、熱靜力型以及熱動(dòng)力型3種。許多學(xué)者已從凝水回收原則[3]、凝水疏送要求、工業(yè)疏水閥一般適用范圍[4-5]及疏水閥關(guān)鍵部件特性等[6-8]方面進(jìn)行了相關(guān)研究,并且能夠指導(dǎo)工業(yè)疏水閥選型設(shè)計(jì)。相比于工業(yè)領(lǐng)域,蒸汽動(dòng)力船舶的疏水系統(tǒng)具有管路空間有限、工作時(shí)常處于搖擺狀態(tài)、工作壓力及背壓范圍存在波動(dòng)等特點(diǎn),這就使得應(yīng)用于蒸汽船舶的疏水閥與工業(yè)用疏水閥存在著差別。本文將針對(duì)幾種典型疏水閥進(jìn)行性能試驗(yàn),并結(jié)合實(shí)船疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,總結(jié)各類(lèi)疏水閥在實(shí)船疏水系統(tǒng)中的適用范圍,以指導(dǎo)實(shí)船疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及疏水閥選型。
參照《蒸汽疏水閥 試驗(yàn)方法》(GB/T12251)[9],設(shè)計(jì)了疏水閥試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要由儲(chǔ)水罐、蒸汽發(fā)生器、過(guò)熱器、疏水閥、觀察窗、背壓裝置、真空破壞器、稱(chēng)重設(shè)備及相關(guān)閥門(mén)儀表組成。用疏水閥進(jìn)行疏水阻汽試驗(yàn)、疏水量測(cè)量試驗(yàn)、過(guò)冷度試驗(yàn)、背壓對(duì)疏水閥的影響試驗(yàn)、疏水閥的橫傾和縱傾性能試驗(yàn)。試驗(yàn)用疏水閥包括杠桿浮球式、自由浮球式、倒吊桶式、雙金屬及圓盤(pán)式5 種。排放孔徑大小是疏水閥結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù),在不同的工作壓力范圍下,匹配合理的排放孔徑可以達(dá)到較高的疏水量,本試驗(yàn)用疏水閥的排放孔徑和壓力適用范圍如表1所示。
圖1 疏水閥試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of steam trap test-beds structure
表1 試驗(yàn)用疏水閥類(lèi)型匯總Tab.1 Summary steam types of types for test
依照實(shí)船系統(tǒng)需求,疏水系統(tǒng)中的疏水壓力為0.1~5.0 MPa,因不同的疏水閥其工作壓力范圍不同,故不可能針對(duì)每個(gè)疏水閥都進(jìn)行以上工作壓力全范圍的測(cè)試。另一方面,當(dāng)疏水閥的某些因素不滿(mǎn)足系統(tǒng)要求時(shí),也沒(méi)必要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn),因此,可結(jié)合疏水閥和系統(tǒng)壓力范圍綜合考慮進(jìn)行各個(gè)工況的疏水閥選取。背壓對(duì)疏水閥的影響實(shí)質(zhì)是疏水閥前、后壓差變化對(duì)輸水量的影響,因此,背壓的影響可以在低壓情況下進(jìn)行,而后再利用背壓率(背壓與疏水壓力的比值)來(lái)衡量背壓對(duì)疏水性能的影響。完成常壓(0.1 MPa)疏水功能試驗(yàn)后,將蒸汽和飽和水壓力升至0.7 MPa(該值為系統(tǒng)背壓罐能達(dá)到的最大背壓),進(jìn)行自由浮球式、杠桿浮球式、倒吊桶式、雙金屬式及圓盤(pán)式這5 種疏水閥下的功能試驗(yàn)及背壓試驗(yàn),然后選取倒吊桶式和圓盤(pán)式疏水閥進(jìn)行中、高壓部分試驗(yàn)。對(duì)于倒吊桶式疏水閥,進(jìn)行2.5 和4.0 MPa 的試驗(yàn);對(duì)于圓盤(pán)式疏水閥,進(jìn)行最高壓力5.0 MPa 的試驗(yàn)。
將水罐升壓至0.7 MPa,進(jìn)行雙金屬式、杠桿浮球式、自由浮球式、倒吊桶式和圓盤(pán)式疏水閥試驗(yàn)。對(duì)于雙金屬式熱靜力型疏水閥,需要依照現(xiàn)場(chǎng)背壓情況進(jìn)行調(diào)節(jié),根據(jù)調(diào)節(jié)位置的不同,分內(nèi)調(diào)節(jié)和外調(diào)節(jié)2 種,圖2(a)所示為試驗(yàn)用內(nèi)調(diào)節(jié)雙金屬式疏水閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因其動(dòng)作原理與機(jī)械式不同,故當(dāng)停止輸送蒸汽并開(kāi)啟飽和水閥門(mén)后,疏水閥不會(huì)馬上動(dòng)作,而是需要閥門(mén)本體及前端管路冷卻一段時(shí)間后才會(huì)開(kāi)始動(dòng)作。開(kāi)始動(dòng)作時(shí),凝水的溫度與相同壓力下的飽和溫度之差即為該疏水閥的過(guò)冷度,在本試驗(yàn)中,測(cè)得雙金屬式疏水閥的過(guò)冷度為22 ℃,如圖2(b)所示。
圖2 雙金屬疏水閥試驗(yàn)圖Fig.2 Photos of double-metal-style steam trap experiment
自由浮球式和杠桿浮球式屬于機(jī)械類(lèi)疏水閥,其使用特點(diǎn)是抗背壓性能好,幾乎沒(méi)有過(guò)冷度要求。在本試驗(yàn)中,自由浮球式和杠桿浮球式疏水閥在0.7 MPa 時(shí)其疏水阻汽功能良好,如圖3 所示,疏水量可達(dá)1.16 t/h。由于浮球式疏水閥受外部慣性力的影響較大,因此針對(duì)浮球式疏水閥進(jìn)行了橫傾和縱傾試驗(yàn)。結(jié)果表明,杠桿浮球式疏水閥具備較好的抗傾斜能力,在橫傾45°、縱傾30°工況下可以正常疏水,其疏水量高于自由浮球式疏水閥。圖4 所示為自由浮球式疏水閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖3 自由浮球式疏水閥阻汽疏水試驗(yàn)圖Fig.3 Photos of free float trap experiment
圖4 自由浮球式疏水閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Photos of free float trap inner structure
隨后,將飽和水壓力調(diào)至0.7 MPa,進(jìn)行背壓影響試驗(yàn)。結(jié)果表明,在背壓率為90%的情況下,仍能正常疏水,輸水量約1 t/h。由于浮球式疏水閥受外部慣性力的影響較大,因此針對(duì)浮球式疏水閥進(jìn)行了橫傾、縱傾試驗(yàn)。結(jié)果表明,自由浮球式疏水閥在搖擺狀態(tài)時(shí)其疏水量出現(xiàn)了波動(dòng),而杠桿浮球式疏水閥則具備較好的抗傾斜能力,在橫傾45°、縱傾30°工況下仍能正常連續(xù)疏水,如圖5 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知,在傾斜狀態(tài)下,自由浮球式疏水閥的疏水量較杠桿式的低20%。
圖5 杠桿浮球式疏水閥在傾斜狀態(tài)下的疏水試驗(yàn)Fig.5 Photos of the lever ball float trap experiment under sloping condition
圓盤(pán)式疏水閥由于其工作壓力范圍較大,在低壓工況下選取為1.0 MPa,背壓選取為0.6 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明,在背壓為0.6 MPa 時(shí),該疏水閥的疏水阻汽性能良好,疏水量約為0.4 t/h。
各類(lèi)疏水閥的試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
表2 疏水閥試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 Experiment results of each steam trap
高壓試驗(yàn)按照4.0 和5.0 MPa 這2 個(gè)壓力等級(jí)進(jìn)行,試驗(yàn)疏水閥為圓盤(pán)式和倒吊桶式。對(duì)于熱靜力型疏水閥,前面已分析過(guò)不適合進(jìn)行中、高壓試驗(yàn);而對(duì)于機(jī)械型疏水閥中的浮球式,其最高工作壓力為1.4 MPa,若壓力過(guò)高,其疏水動(dòng)作會(huì)遲緩,并且還存在著密封性問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況并結(jié)合疏水閥的使用壓力范圍,對(duì)倒吊桶式疏水閥進(jìn)行了2.0~4.0 MPa 的疏水試驗(yàn),對(duì)圓盤(pán)式疏水閥進(jìn)行了5.0 和1.0 MPa 的試驗(yàn),并在1.0 MPa 時(shí)進(jìn)行了背壓影響和疏水量測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,倒吊桶式疏水閥的疏水阻汽功能正常,如圖6所示。
圖6 倒吊桶式疏水閥阻汽疏水試驗(yàn)Fig.6 Photos of floating row bucket trap experiment
對(duì)于圓盤(pán)式疏水閥,其工作壓力在試驗(yàn)疏水閥中范圍最大,因此,首先進(jìn)行高壓性能試驗(yàn),選取鍋爐壓力6.0 MPa,并調(diào)整供氣閥門(mén),將儲(chǔ)氣筒及儲(chǔ)水罐的壓力控制在5.0~5.5 MPa。在5.0 MPa時(shí),圓盤(pán)式疏水閥的疏水阻汽功能良好,如圖7 所示。在工作過(guò)程中,由于圓盤(pán)疏水閥的內(nèi)部盤(pán)面上下移動(dòng),會(huì)與周?chē)饘侔l(fā)生碰撞,因此在動(dòng)作時(shí)會(huì)發(fā)出金屬撞擊的聲音,這也使得圓盤(pán)式疏水閥的使用壽命低于同材質(zhì)的機(jī)械式疏水閥。
圖7 圓盤(pán)式疏水閥高壓疏水阻汽試驗(yàn)Fig.7 Photos of disc trap experiment
疏水閥根據(jù)其動(dòng)作原理、適用壓力范圍及疏水量等參數(shù)的不同,被應(yīng)用于不同系統(tǒng)或設(shè)備的疏水。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)中疏水閥的應(yīng)用范圍總結(jié)如下:
1)浮球式疏水閥。試驗(yàn)用浮球式疏水閥的工作壓力范圍為0~1.4 MPa,具有疏水量大、反應(yīng)快、無(wú)蒸汽泄露、無(wú)疏水過(guò)冷度要求以及背壓率高等特點(diǎn),相比于自由浮球式疏水閥,杠桿浮球式疏水閥還具備抗傾斜、抗污染的性能。浮球式疏水閥可應(yīng)用于蒸汽換熱器、蒸汽主管路等系統(tǒng)的疏水,是應(yīng)用最廣泛的疏水閥。
2)倒吊桶式疏水閥。該疏水閥與浮球式疏水閥同屬機(jī)械式疏水閥。試驗(yàn)用倒吊桶式疏水閥的工作壓力范圍為0~4.0 MPa,通過(guò)調(diào)整排放孔徑和外形尺寸,其還可以在更高的壓力下使用,具有疏水量大、背壓率高、無(wú)蒸汽泄露、抗水擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。倒吊桶式疏水閥可應(yīng)用于壓力波動(dòng)較大的管路疏水,也可以用于汽輪機(jī)、過(guò)熱蒸汽管路等系統(tǒng)的疏水。
3)雙金屬式、溫包式熱靜力型疏水閥。熱靜力型疏水閥的特點(diǎn)是疏水溫度恒定,在適當(dāng)?shù)哪疁囟认?,疏水量大,相比于其他?lèi)型(機(jī)械型和熱動(dòng)力型)的疏水閥,具有較高的過(guò)冷度要求(本試驗(yàn)中為22 ℃)。并且對(duì)于雙金屬式疏水閥,需事先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)金屬片進(jìn)行調(diào)整,且在使用一段時(shí)間后,由于金屬的疲勞性,也需要進(jìn)行調(diào)整。該疏水閥的背壓率低于機(jī)械型或熱動(dòng)力型疏水閥。溫包式熱靜力型疏水閥的特點(diǎn)與雙金屬式相當(dāng),具有不怕凍、體積小、任意位置都可安裝的特點(diǎn),能排不凝結(jié)氣體,同樣也有過(guò)冷度要求,一般在15~40 ℃。熱靜力型疏水閥適用于伴熱管、溫度恒定加熱器中的疏水,不適用于工作壓力和背壓會(huì)發(fā)生變化的管路或設(shè)備的疏水。
4)圓盤(pán)式疏水閥。圓盤(pán)式疏水閥屬于熱動(dòng)力型疏水閥,其特點(diǎn)是工作壓力范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、重量輕、背壓率高(60%~80%),就其尺寸而言,排量也大。由于碟片是其中唯一的運(yùn)動(dòng)部件,故維護(hù)起來(lái)很方便,無(wú)需從管道上拆下疏水閥。圓盤(pán)式疏水閥在使用中有金屬撞擊的聲音,此外,在背壓較高時(shí),還會(huì)有少量蒸汽泄露?;谏鲜鎏攸c(diǎn),圓盤(pán)式疏水閥可用于過(guò)熱蒸汽管道和汽輪機(jī)的疏水。
實(shí)船的疏水系統(tǒng)與各個(gè)蒸汽子系統(tǒng)密不可分,按照蒸汽凝水來(lái)源和壓力的不同,可以歸為以下5 類(lèi):
1)主、輔過(guò)熱蒸汽疏水。主、輔過(guò)熱蒸汽管路的蒸汽工作壓力范圍為0~5.5 MPa。主、輔過(guò)熱吹除、疏水管路用于主、輔過(guò)熱蒸汽管路在開(kāi)啟、運(yùn)行和停機(jī)時(shí)的疏水,以及閥組等管路附件的疏水及前、后橋管調(diào)汽時(shí)管路的疏水。輔過(guò)熱疏水包括渦輪增壓機(jī)組吹洗和主鍋爐停汽閥等閥門(mén)的疏水。一般當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到0.4~0.8 MPa 時(shí),開(kāi)始暖管、暖機(jī)疏水。凝水流至污冷凝水柜或除氧器。
2)微過(guò)熱蒸汽疏水。微過(guò)熱蒸汽管路的工作壓力范圍為0~2.45 MPa。微過(guò)熱吹除、疏水系統(tǒng)用于微過(guò)熱蒸汽輸送管路的吹洗和疏水,以及汽輪滑油泵、汽輪燃油泵、減溫減壓裝置和微過(guò)熱調(diào)配裝置等裝置的疏水。凝水流至污冷凝水柜或除氧器。
3)低壓蒸汽管道疏水。低壓蒸汽管路的工作范圍為0~1.0 MPa。低壓蒸汽吹除、疏水系統(tǒng)用于低壓蒸汽輸送管路、汽輪滑油泵、燃油泵和汽輪給水機(jī)組汽缸的疏水。凝水流至艙底或污冷凝水柜。
4)油艙等加熱器管路疏水。油艙加熱和滑油加熱的工作蒸汽為低壓蒸汽,工作壓力范圍為0~1.0 MPa,但是在加熱器開(kāi)始工作后,要求進(jìn)行連續(xù)疏水,因此,此系統(tǒng)的疏水必須采用疏水閥,故與低壓吹除系統(tǒng)有所區(qū)分。該疏水系統(tǒng)用于各個(gè)滑油艙、燃油艙、燃油預(yù)熱器及滑油預(yù)熱器等換熱設(shè)備的凝水回收。凝水流至蒸汽膨脹箱或污冷凝水柜。
5)廢汽管路疏水。廢汽管路的工作蒸汽壓力范圍為0~0.1 MPa。
根據(jù)以上實(shí)船疏水系統(tǒng)的工作需求,以及實(shí)船使用情況可以看出,應(yīng)用于實(shí)船的疏水閥與一般工業(yè)用疏水閥有所不同,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)實(shí)船用疏水閥要有一定的抗背壓性能。無(wú)論是過(guò)熱蒸汽、微過(guò)熱蒸汽還是低壓蒸汽,其疏水系統(tǒng)均應(yīng)采用總管設(shè)計(jì)原則,即各個(gè)疏水點(diǎn)的凝水管路連接至一根總管上,并最終排入除氧器、污冷凝水柜或艙底。不同的疏水管其位置、高度、長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量均不同,這就使得各個(gè)疏水閥排水管路的阻力不同,且在排至除氧器、污冷凝水柜或艙底時(shí),排水背壓也均不同,對(duì)排放至蒸汽膨脹箱的低壓蒸汽疏水管路,背壓同樣在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。因此,對(duì)于應(yīng)用于實(shí)船系統(tǒng)的疏水閥,疏水時(shí)需克服管路阻力和容器背壓,才能達(dá)到各個(gè)工況均能正常疏水的目的。
2)實(shí)船用疏水閥要具備一定的抗傾斜、抗搖擺和抗污染能力。
3)實(shí)船用疏水閥應(yīng)動(dòng)作靈敏且不應(yīng)有過(guò)冷度要求。實(shí)船空間有限,而疏水管路一般是在主管路鋪設(shè)、布置完成后再與管路的最低點(diǎn)(疏水點(diǎn))連接放樣,且具有過(guò)冷度要求的疏水閥又一般均需布置1~3 m 長(zhǎng)的疏水管路[10]。另一方面,蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)管路均有熱絕緣包覆要求,而為了使飽和水被正常疏出,在有過(guò)冷度需求的疏水閥前端管路一般不包覆絕緣,這一點(diǎn)與實(shí)船熱絕緣施工要求是矛盾的。無(wú)論是管路吹除還是換熱器長(zhǎng)時(shí)間疏水,均不允許出現(xiàn)凝水長(zhǎng)時(shí)間聚集不流動(dòng)或流動(dòng)延遲的現(xiàn)象,因此,應(yīng)用于實(shí)船中的疏水閥應(yīng)盡量做到“有水即疏、無(wú)水即關(guān)”,這一點(diǎn)在換熱器中尤為重要,若在飽和換熱器中不能做到及時(shí)疏水,則會(huì)使換熱效率下降,增大換熱時(shí)間,甚至無(wú)法達(dá)到預(yù)定的加熱溫度。
根據(jù)對(duì)實(shí)船疏水系統(tǒng)的分析,以及對(duì)各類(lèi)疏水閥使用特點(diǎn)的歸納,可以總結(jié)出匹配于實(shí)船各個(gè)疏水系統(tǒng)的疏水閥類(lèi)型。
1)對(duì)于主、輔過(guò)熱蒸汽管路和主汽輪機(jī)等的疏水,可選用圓盤(pán)式熱動(dòng)力型疏水閥。其原因是圓盤(pán)式疏水閥動(dòng)作靈敏、工作壓力范圍大(0~10 MPa)、抗背壓性能強(qiáng),在以往的船舶中應(yīng)用效果良好。
2)對(duì)于微過(guò)熱蒸汽管路的吹除,可選用倒吊桶式和圓盤(pán)式疏水閥。兩種疏水閥的壓力范圍涵蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力,且倒吊桶式、圓盤(pán)式疏水閥的疏水量和背壓率高,在疏水量要求較大、空間富裕的疏水點(diǎn),推薦使用倒吊桶式疏水閥。
3)對(duì)于低壓吹除和廢汽管路吹除,可選用浮球式和圓盤(pán)式疏水閥;對(duì)于低壓蒸汽換熱器,可選用自由浮球式和杠桿浮球式疏水閥,但推薦選用杠桿浮球式疏水閥,因和自由浮球式疏水閥相比,其動(dòng)作靈敏性和抗污染性能更優(yōu),且連續(xù)疏水能力強(qiáng),無(wú)過(guò)冷度要求,具有較高的抗傾斜能力。
4)由于實(shí)船的疏水系統(tǒng)在不同工況下其背壓不同,且管路有熱絕緣包覆的要求,因此熱靜力型疏水閥不適用于實(shí)船疏水系統(tǒng)。
本文依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)3 類(lèi)典型疏水閥的疏水工作性能進(jìn)行了試驗(yàn),進(jìn)一步總結(jié)了實(shí)船疏水系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和疏水閥的基本要求,并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)船疏水閥進(jìn)行了選型歸類(lèi),得到以下主要結(jié)論:
1)熱靜力型疏水閥不適用于蒸汽動(dòng)力船舶,尤其不適用于具有供汽和疏水總管的動(dòng)力系統(tǒng)。
2)杠桿浮球式疏水閥的抗傾斜能力要優(yōu)于自由浮球式疏水閥。
3)圓盤(pán)式疏水閥可以用于過(guò)熱蒸汽管路的疏水;倒吊桶式、圓盤(pán)式疏水閥均可用于本文分析的動(dòng)力系統(tǒng),不過(guò)在空間富裕、疏水量較大的管路中,推薦使用倒吊桶式疏水閥。
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