蒸汽疏水閥選型原則

羅暉 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

蒸汽疏水閥選型原則

羅暉*華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

根據(jù)疏水閥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際使用效果，采用定性、定量相結(jié)合的方法，分析蒸汽疏水閥的選型原則，提出選型建議。

蒸汽疏水閥選型

在工程設(shè)計(jì)中，蒸汽疏水閥不再僅僅是保證用汽設(shè)備高效工作、凝結(jié)水及時(shí)排出、蒸汽和凝液系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的重要閥門(mén)，其“自動(dòng)運(yùn)行、阻汽排水”的節(jié)能功效已越來(lái)越凸顯出來(lái)，全國(guó)在用的蒸汽疏水閥約1500萬(wàn)臺(tái)，其中約50%因選型原因達(dá)不到漏汽量≤3%、使用壽命≥8000h的現(xiàn)行國(guó)標(biāo)要求，每年因此損失約23000kt標(biāo)煤。為提高能源使用效率并最大限度回收能量，針對(duì)不同的使用工況選擇質(zhì)量可靠、型號(hào)合適的蒸汽疏水閥便成為工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的工作。

本文以甘肅某公司生產(chǎn)的蒸汽疏水閥為例，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，從工程設(shè)計(jì)的角度介紹蒸汽疏水閥選型原則和疏水量計(jì)算方法(帶動(dòng)力蒸汽疏水閥不在本文討論范圍)。

1 選型原則

根據(jù)蒸汽冷凝水的系統(tǒng)要求和疏水閥的特性參數(shù)，從過(guò)冷度、背壓率、壓差、疏水量和蒸汽壓力5個(gè)方面，闡述疏水閥的選型原則。

1.1 過(guò)冷度

過(guò)冷度既是系統(tǒng)要求，也是疏水閥特性參數(shù)。

(1)當(dāng)蒸汽設(shè)備要求加熱速度快、溫度控制嚴(yán)、不積存凝結(jié)水、嚴(yán)格保證傳熱效率時(shí)，系統(tǒng)要求蒸汽冷凝水的過(guò)冷度最小，應(yīng)優(yōu)先選用過(guò)冷度最小(≤5℃)的機(jī)械型疏水閥。

(2)當(dāng)蒸汽設(shè)備對(duì)加熱速度、溫度沒(méi)有嚴(yán)格要求，但積存的冷凝水會(huì)干擾蒸汽設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，雖然系統(tǒng)對(duì)蒸汽冷凝水的過(guò)冷度無(wú)明確要求，原則上也應(yīng)優(yōu)先選用過(guò)冷度最小(≤5℃)的機(jī)械型疏水閥。

(3)當(dāng)蒸汽設(shè)備有利用冷凝水顯熱的要求時(shí)(伴熱管道等)，系統(tǒng)要求蒸汽冷凝水的過(guò)冷度較大，應(yīng)選用過(guò)冷度大且可調(diào)(≥15℃)的熱靜力型疏水閥。

1.2 背壓率

背壓率為系統(tǒng)要求，允許背壓率為疏水閥特性參數(shù)。

式中，PX為背壓率;Py為允許背壓率;P1為疏水閥進(jìn)口操作壓力，MPa;P2為疏水閥出口操作壓力，MPa;P3為疏水閥進(jìn)口試驗(yàn)壓力，MPa;P4為疏水閥出口最大試驗(yàn)壓力，MPa。

(1)本公式假定P1＞P2，P3＞P4。

(2)背壓率和允許背壓率公式相同，但所指不同。背壓率是指實(shí)際操作環(huán)境下疏水閥前后操作壓力的百分比，是系統(tǒng)要求;允許背壓率是在不同蒸汽壓力條件下，逐步提高疏水閥后壓力直至疏水閥不能正常排出冷凝水的最大閥后壓力與閥前壓力百分比的平均值，是疏水閥的特性參數(shù)。因試驗(yàn)中的環(huán)境、介質(zhì)運(yùn)行平穩(wěn)，背壓變化緩慢，所以允許背壓率實(shí)際上是該疏水閥的理想值或能達(dá)到的最大值，在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮到偶然因素給疏水閥動(dòng)作帶來(lái)的影響(如:季節(jié)變化、負(fù)荷波動(dòng)等)，因此要求疏水閥允許背壓率大于蒸氣冷凝水系統(tǒng)實(shí)際背壓率，兩者差值不能太小，更不能相等。

(3)無(wú)背壓蒸汽冷凝水系統(tǒng)對(duì)疏水閥類(lèi)型無(wú)要求。

(4)有背壓蒸汽冷凝水系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用允許背壓率最高(80%)的機(jī)械型疏水閥;如因安裝空間、安裝形式、過(guò)冷度等因素限制，可改用允許背壓率適中(50%)的熱動(dòng)力型疏水閥;當(dāng)蒸氣冷凝水系統(tǒng)要求有較大過(guò)冷度時(shí)(伴熱管道等)，可選擇允許背壓率最低(30%)的熱靜力型疏水閥。例如:一般石油化工裝置內(nèi)P≥0.10MPa，且排放量≥100kg/h的冷凝水通過(guò)管網(wǎng)回收時(shí)，優(yōu)先選用允許背壓率最高的機(jī)械型疏水閥;反之P＜0.10MPa，且排放量＜100kg/h的冷凝水因壓力較低、克服沿程阻力困難、且熱能低無(wú)回收價(jià)值，可就地排入地溝時(shí)，選用允許背壓率最小的熱靜力型疏水閥。

1.3 壓差

壓差為系統(tǒng)要求，最小允許壓差為疏水閥特性參數(shù)。

(1)本公式假定P1＞P2，P3＞P4。

(2)壓差ΔP1和最小允許壓差ΔP2所指不同。壓差是指實(shí)際操作環(huán)境下疏水閥前后操作壓力差，是系統(tǒng)要求;最小允許壓差是指在不同蒸汽壓力條件下，逐步提高疏水閥后壓力直至疏水閥不能正常排出冷凝水的最大閥后壓力與閥前壓力相減的平均值，是疏水閥的特性參數(shù)。因試驗(yàn)中的環(huán)境、介質(zhì)運(yùn)行平穩(wěn)，閥后壓力變化緩慢，所以最小允許壓差實(shí)際上是該疏水閥的理想值或能達(dá)到的最小值，在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮到偶然因素給疏水閥動(dòng)作帶來(lái)的影響(如:季節(jié)變化、負(fù)荷波動(dòng)等)，因此要求蒸氣冷凝水系統(tǒng)實(shí)際壓差大于疏水閥最小允許壓差，當(dāng)兩者相等時(shí)，疏水閥將不能正常工作。

(3)當(dāng)蒸汽用戶(hù)為設(shè)備而非管道時(shí)，蒸汽管網(wǎng)壓力不等于疏水閥進(jìn)口操作壓力，因容積突然變大的閃蒸(蒸汽由管網(wǎng)進(jìn)入設(shè)備)，疏水閥進(jìn)口操作壓力必定小于蒸汽管網(wǎng)壓力，一般取疏水閥進(jìn)口操作壓力=蒸汽管網(wǎng)壓力－0.05～0.1MPa (G)，疏水閥出口操作壓力取閥后最高工作背壓(直排大氣時(shí)為0)，這樣就得到該工況下的最小壓差，與計(jì)算得到的疏水量查表就可確定疏水閥的型號(hào)，同時(shí)因壓差與疏水量成正比，疏水閥工作時(shí)壓差增大疏水量可相應(yīng)增大，這樣就能保證即使閥后壓力有較大波動(dòng)，該疏水閥也能正常工作。

1.4 疏水量

疏水量既是系統(tǒng)要求，也是疏水閥特性參數(shù)。

1.4.1 開(kāi)工時(shí)管道的冷凝水量

式中，G1為開(kāi)工時(shí)管道的冷凝水量，kg/h;W1為管道重量，kg;W2為保溫材料重量，kg;CP1為鋼管材料比熱容，kJ/(kg·℃)，(碳鋼為0.469、合金鋼為0.486);CP2為保溫材料比熱容，kJ/(kg ·℃)，(一般取0.837);TS為蒸汽溫度，℃;T0為大氣溫度，℃;H1為工作條件下飽和蒸汽焓值，kJ/kg;H2為工作條件下飽和冷凝水焓值，kJ/kg; L為管道長(zhǎng)度，m。

1.4.2 生產(chǎn)時(shí)管道的散熱量

式中，G2為生產(chǎn)時(shí)管道的散熱量，W/(m·h);TS為蒸汽溫度，℃;T0為大氣溫度，℃;λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，(一般巖棉為0.043);D1為保溫層內(nèi)徑，m;D0為保溫層外徑，m;α為保溫層外表面向大氣的散熱系數(shù)，W/(m2·℃);ω為風(fēng)速，m/s。

1.4.3 生產(chǎn)時(shí)管道的冷凝水量

式中，G3為生產(chǎn)時(shí)管道的冷凝水量，kg/h;L為管道長(zhǎng)度，m;H1為工作條件下飽和蒸汽焓值，kJ/kg;H2為工作條件下飽和冷凝水焓值，kJ/kg。

1.4.4 疏水量

式中，G4為開(kāi)工時(shí)管道的疏水量，kg/h;G5為生產(chǎn)時(shí)管道的疏水量，kg/h;G1為開(kāi)工時(shí)管道的冷凝水量，kg/h;G3為生產(chǎn)時(shí)管道的冷凝水量，kg/ h;N為安全系數(shù)(按文獻(xiàn)1表B1所列)。

(1)蒸汽系統(tǒng)實(shí)際疏水量與疏水閥額定疏水量是不同的。蒸汽系統(tǒng)實(shí)際疏水量是指一定工藝條件下假定疏水閥連續(xù)排出冷凝水的計(jì)算值，是系統(tǒng)要求;疏水閥額定疏水量是指在相同工藝條件下一段額定時(shí)間內(nèi)疏水閥排出冷凝水的實(shí)測(cè)值，是疏水閥的特性參數(shù)?？紤]到絕大部分疏水閥間斷排水的運(yùn)作特點(diǎn)以及開(kāi)車(chē)等的非正常工況，疏水量的計(jì)算值還需要乘以“安全系數(shù)”，才能得到用來(lái)選擇疏水閥的額定疏水量。

(2)過(guò)熱蒸汽的疏水量計(jì)算同上，只需將蒸汽焓值與過(guò)熱溫度一一對(duì)應(yīng)即可，因浮球式疏水閥不耐水錘沖擊，熱靜力型疏水閥不能用于過(guò)熱蒸汽，因此高壓、過(guò)熱蒸汽一般選用熱動(dòng)力型疏水閥。

1.5 蒸汽壓力

蒸汽壓力為系統(tǒng)要求，用于確定疏水閥的最大允許壓力。

在此處蒸汽壓力是指蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，是系統(tǒng)要求;最大允許壓力是指某一型號(hào)某一材質(zhì)疏水閥能夠承受的最大蒸汽壓力，是疏水閥的特性參數(shù)。一般疏水閥最大允許壓力＞蒸汽設(shè)計(jì)壓力，但不能相差過(guò)大，因?yàn)樽畲笤试S壓力(有時(shí)稱(chēng)為公稱(chēng)壓力)過(guò)高的疏水閥在低操作壓力工況下疏水量會(huì)相應(yīng)減少，直接影響冷凝水排出效果。

2 案例分析

2.1 工藝條件

東北某化工廠(chǎng)裝置管廊上主蒸汽管道低點(diǎn)選用圓盤(pán)式疏水閥排放蒸汽冷凝水，其工藝條件見(jiàn)表1。

表1 蒸汽管道工藝條件

2.2 故障現(xiàn)象

開(kāi)車(chē)階段升溫發(fā)現(xiàn)該閥不動(dòng)作，管內(nèi)冷空氣和初期冷凝水未排出，蒸汽管道伴有輕微水錘現(xiàn)象，打開(kāi)閥前放凈排放出空氣和大量冷凝水后現(xiàn)象消失。

冬季蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷較低時(shí)，該閥啟閉件活動(dòng)異常(發(fā)出“啪啪啪”頻率較高的啟閉響聲)，當(dāng)降至1/2正常負(fù)荷后，啟閉件已不再閉合，二次蒸汽夾帶少量冷凝水連續(xù)排出。

2.3 故障分析

開(kāi)車(chē)階段閥門(mén)開(kāi)啟度大，冷空氣、蒸汽速度過(guò)快，當(dāng)冷空氣經(jīng)過(guò)疏水閥時(shí)在啟閉件兩側(cè)產(chǎn)生了流速差、壓力差，閉合了啟閉件，導(dǎo)致冷空氣、初期冷凝水無(wú)法排出造成“氣堵”現(xiàn)象。

冬季在室外極寒環(huán)境下，因蒸汽冷凝速度快，導(dǎo)致疏水閥啟閉件頻繁開(kāi)關(guān)，此時(shí)如蒸汽負(fù)荷、壓力降低很多，閥前又有較長(zhǎng)的“冷凝段”，流經(jīng)啟閉件的蒸汽和冷凝水混合物的速度已無(wú)法在啟閉件兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致蒸汽夾帶冷凝水連續(xù)“噴放”的現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析可知，該疏水閥型式不適當(dāng)，應(yīng)該重新選型。

2.4 計(jì)算

2.4.1 過(guò)冷度

雖然主蒸汽管道不要求100%無(wú)冷凝水出現(xiàn)，但考慮到蒸汽輸送波動(dòng)對(duì)工藝系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量保證主蒸汽管道平穩(wěn)運(yùn)行，減少管道內(nèi)冷凝水的存留量，最大程度的避免水錘，因此可初步選定過(guò)冷度最小的機(jī)械型疏水閥。

2.4.2 背壓率

根據(jù)式(1)計(jì)算得:

背壓率為0，對(duì)疏水閥類(lèi)型無(wú)要求。

2.4.3 壓差

根據(jù)式(3)計(jì)算得:

壓差最大，對(duì)疏水閥類(lèi)型無(wú)要求。

2.4.4 疏水量

(1)根據(jù)式(5)計(jì)算開(kāi)工時(shí)管道的冷凝水量(升溫時(shí)間按1h考慮):

(2)根據(jù)式(6)計(jì)算生產(chǎn)時(shí)管道的散熱量:

(3)根據(jù)式(7)計(jì)算生產(chǎn)時(shí)管道的冷凝水量:

(4)根據(jù)式(8)計(jì)算開(kāi)工時(shí)管道的疏水量(按文獻(xiàn)1表B1所列，取N=3):

(5)根據(jù)式(9)計(jì)算生產(chǎn)時(shí)管道的疏水量:

2.4.5 蒸汽壓力

飽和蒸汽設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa(G)，可確定疏水閥允許壓力范圍為1.4～1.6 MPa(G)。

2.5 分析選型

(1)比較開(kāi)工和生產(chǎn)時(shí)管道的疏水量:相差近10倍，但由于生產(chǎn)時(shí)管道的疏水量(27.9 kg/ h)太小，不好選型且相比開(kāi)工時(shí)管道的疏水量(291 kg/h)在價(jià)格上無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，因此按開(kāi)工時(shí)疏水量291 kg/h選型。

(2)考慮到過(guò)冷度、疏水量等因素，決定選擇額定疏水量較小、動(dòng)作靈敏的倒吊桶式(機(jī)械型)疏水閥。

(3)根據(jù)壓差(1.0 MPa(G))、疏水量(291 kg/h)、允許壓力(1.4～1.6 MPa(G))，查甘肅某公司的產(chǎn)品樣本可知:ES921－14(1.0 MPa(G)/370kg/h)倒吊桶式疏水閥能夠滿(mǎn)足要求。見(jiàn)圖1。

3 選型建議

(1)當(dāng)排水量≥15 t/h時(shí)，選用杠桿浮球式疏水閥。

(2)當(dāng)排水量為8～15 t/h時(shí)，選用自由浮球式疏水閥。

(3)當(dāng)排水量≤8 t/h時(shí)，選用倒吊桶式疏水閥。

圖1 排量圖

(4)主、支蒸汽管道和有背壓蒸汽伴熱管的疏水閥選用機(jī)械型。

(5)無(wú)背壓蒸汽伴熱管道選用熱靜力型疏水閥。

(6)高壓、過(guò)熱蒸汽選用熱動(dòng)力型疏水閥。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)蒸汽疏水閥的疏水量隨壓差動(dòng)態(tài)變化，壓差越大，疏水量越大。

(2)過(guò)冷度、背壓率、壓差、疏水量、蒸汽壓力五個(gè)方面可確定蒸汽疏水閥的具體型號(hào)。

1 GBT 12712－1991，蒸汽供熱系統(tǒng)凝結(jié)水回收［S］．

2 中井多喜雄著．李坤英譯．蒸汽疏水閥［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989．

According to national standards of the steam trap and the practical effects，using qualitative and quantitative combination method to analyze the selection principle for steam trap，and put forward the selection proposals．

The Principle for Steam Trap Selection

Luo Hui
(Hualu Engineering＆Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

steamsteam trapselection

*羅暉:高級(jí)工程師。1993年畢業(yè)于武漢化工學(xué)院有機(jī)化工專(zhuān)業(yè)?，F(xiàn)從事石油化工工程的管道設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話(huà):(029) 87989025。

(修改回稿2011－11－30)