蒸汽動(dòng)力船舶疏水閥性能試驗(yàn)及選型

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

0 引 言

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。

1 試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)用疏水閥

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)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低壓試驗(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

2.2 高壓試驗(yàn)

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

2.3 各種疏水閥的適用范圍

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。

3 基于實(shí)船的疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)船吹除、疏水系統(tǒng)需求

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。

3.2 與系統(tǒng)需求匹配的疏水閥型式選擇

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)。

4 結(jié) 論

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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