大型船舶低壓蒸汽管網(wǎng)故障分析

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(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

目前主流民用類(lèi)船舶設(shè)計(jì)中，船用供暖方案主要采用熱水管網(wǎng)為全船供熱，這種方案的優(yōu)點(diǎn)：①安全，常壓下熱水溫度不超過(guò)100 ℃，即使在熱水泄漏的情況下也不會(huì)威脅到人員生命；②工況簡(jiǎn)單，流動(dòng)介質(zhì)維持為液態(tài)單相流體。針對(duì)單相流，其流體特性更容易分析，即管路中干管、支管中的壓力、流量、流速分布更容易計(jì)算得出；③管網(wǎng)故障率小，相對(duì)于雙相流，單相流動(dòng)更為簡(jiǎn)單，該情況下管路、閥件故障率更小。但是其缺點(diǎn)是管網(wǎng)體積過(guò)于龐大。蒸汽管網(wǎng)不存在這樣的問(wèn)題，由于利用了水的汽化潛熱，船用蒸汽管網(wǎng)規(guī)模、占用空間更小。缺點(diǎn)安全性更低，在蒸汽管網(wǎng)發(fā)生泄漏的情況下，有可能對(duì)人員造成傷害；蒸汽管網(wǎng)中的流動(dòng)介質(zhì)存在著汽液兩相流的狀態(tài)，該狀態(tài)下的流動(dòng)特性更為復(fù)雜，管路閥件故障率高，并且排查故障也更為困難[1]。針對(duì)大型船舶中低壓(0.3～0.4 MPa)蒸汽管網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)蒸汽管網(wǎng))在使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障，進(jìn)行原理分析并提出解決途徑。

1 蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行存在的主要問(wèn)題

1)蒸汽系統(tǒng)水力工況不穩(wěn)定、水錘現(xiàn)象明顯。由于蒸汽管網(wǎng)的用戶對(duì)蒸汽使用量、使用時(shí)間段、使用頻率差異大，目前蒸汽管網(wǎng)中水力工況經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。與陸用建筑供暖管網(wǎng)比較平直的情況不同，船上空間有限，蒸汽管路經(jīng)常隨著船舶結(jié)構(gòu)或者設(shè)備彎曲，會(huì)有大量的彎頭、U形彎等情況，造成流通阻力大，管路低點(diǎn)有凝水積存[2]。為用戶間歇供汽時(shí)，水錘現(xiàn)象明顯，管路存在振動(dòng)情況，產(chǎn)生較大的噪聲，嚴(yán)重影響管路和閥門(mén)的使用壽命，存在一定的安全隱患。

2)凝水管網(wǎng)回收暢通性差。當(dāng)蒸汽管網(wǎng)中汽水分離器、疏水分離器等汽水分離設(shè)備效果變差或者失效時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蒸汽管及凝水管內(nèi)存在大量汽液兩相流的情況。當(dāng)蒸汽管路或用汽設(shè)備的疏水閥存在蒸汽泄漏時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽量較大，凝水管路背壓升高，凝水無(wú)法正?；厥眨鹁植磕芫W(wǎng)癱瘓。凝水管路中再次汽化的現(xiàn)象也容易導(dǎo)致凝水不暢。

3)蒸汽系統(tǒng)缺少相應(yīng)的管路施工及工藝要求。大型船舶空間有限，蒸汽管網(wǎng)管路走向復(fù)雜，管路施工的坡度、取汽點(diǎn)和疏水點(diǎn)的設(shè)置、補(bǔ)償器的設(shè)置等，都會(huì)直接影響系統(tǒng)水力工況的穩(wěn)定性。目前建筑領(lǐng)域有明確的疏水點(diǎn)、管路坡度要求，船上蒸汽管網(wǎng)由于存在大量的彎曲，施工條件無(wú)法與陸用建筑領(lǐng)域相同，亟須有適用于船舶類(lèi)的施工工藝指導(dǎo)。

2 故障發(fā)生的原因

蒸汽管路伴隨著冷凝水，同時(shí)冷凝水中存在蒸汽二次閃蒸的情況，這是故障發(fā)生的主要原因。蒸汽提升管路會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]中認(rèn)為當(dāng)蒸汽管路閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，殘余的蒸汽會(huì)形成凝水積存在管路中。當(dāng)下次開(kāi)啟蒸汽閥門(mén)時(shí)，蒸汽會(huì)推動(dòng)凝水進(jìn)入提升管。當(dāng)大部分凝水通過(guò)后，水流與管路之間會(huì)形成間隙，蒸汽沖過(guò)間隙并失去了對(duì)凝水的上推力，導(dǎo)致凝水下落撞擊管路，形成水錘。文獻(xiàn)[4]指出，在長(zhǎng)距離疏水管道中經(jīng)常存在局部突起的情況，某些管道的壓力容易降低至水的汽化壓力，從而形成氣泡空穴，使前后水柱斷裂形成“水柱分離”。當(dāng)壓力升高時(shí)，被分離的水柱由于汽泡空穴的潰滅產(chǎn)生撞擊，產(chǎn)生的壓力驟然上升形成很高的水錘壓力，導(dǎo)致管道破壞?？紤]到船上凝水管網(wǎng)中的凝水仍然有較高的溫度(最高可達(dá)90 ℃)，在管路壓力低處更容易產(chǎn)生二次汽化的現(xiàn)場(chǎng)，從而產(chǎn)生水錘[5-6]。針對(duì)疏水閥經(jīng)常泄汽或失效等問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為，疏水閥失效除了設(shè)備本身的原因，更主要的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選擇方面存在問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，疏水閥選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)疏水閥前壓力、疏水閥后壓力、疏水量、蒸汽性質(zhì)、管道輸水還是設(shè)備疏水、是否允許存在冷凝水積存來(lái)判斷。同時(shí)，疏水閥的安裝也影響到疏水效果[9]。疏水閥的選用要考慮其所處的工作環(huán)境和使用條件[10-11]。

3 解決蒸汽管網(wǎng)故障辦法

針對(duì)船用蒸汽管網(wǎng)中存在的問(wèn)題，提出以下解決方案。

1)合理設(shè)施疏水點(diǎn)。在蒸汽管道的最低點(diǎn)、上升管道底部、蒸汽管路的尾端、間歇運(yùn)行的大用戶進(jìn)汽管最低點(diǎn)等設(shè)置疏水點(diǎn)。

2)設(shè)置一定的管路坡度?？紤]到船上結(jié)構(gòu)眾多，應(yīng)盡可能在蒸汽管長(zhǎng)直水平段設(shè)置坡度，當(dāng)汽、水逆向流動(dòng)時(shí)，坡度應(yīng)大于0.005，其他應(yīng)大于0.003。

3)在蒸汽干管上設(shè)置集水槽。防止主管道上的凝結(jié)水直接被蒸汽帶走，只有少量凝結(jié)水進(jìn)入疏水管。

4)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，應(yīng)緩慢開(kāi)啟閥門(mén)，防止殘存的冷凝水被高速蒸汽帶走，無(wú)法進(jìn)入疏水管。

5)合理選用疏水閥。針對(duì)大排量凝結(jié)水情況，建議采用杠桿浮球式疏水閥(機(jī)械型)；對(duì)于提升管、閥門(mén)附近等可能產(chǎn)生水錘的地方建議采用倒置桶型疏水閥(機(jī)械型)；考慮到船上空間有限，對(duì)于凝水量較小的管路可以建議熱動(dòng)力性疏水閥。

4 減少蒸汽管路中凝水積存方法的計(jì)算論證

由于船上蒸汽管路走向復(fù)雜，間歇性用戶較多，考慮到船上的空間有限及成本控制，不易在每段管路低點(diǎn)、間歇性用戶供氣管路上都設(shè)置疏水閥，建議用戶在不使用蒸汽時(shí)，在主蒸汽管路中仍然維持一定量的過(guò)熱蒸汽，以維持蒸汽管路有足夠的溫度，避免蒸汽冷凝為凝結(jié)水，殘存的冷凝水被流動(dòng)的蒸汽及時(shí)帶走。當(dāng)進(jìn)口過(guò)熱蒸汽經(jīng)過(guò)管路冷卻后，蒸汽出口點(diǎn)恰好為飽和蒸汽點(diǎn)時(shí)，可認(rèn)為該蒸汽量即為管路不產(chǎn)生凝水的最小蒸汽量。

單位管段蒸汽散熱示意見(jiàn)圖1。

圖1 蒸汽管段散熱示意

計(jì)算單位長(zhǎng)度蒸汽管段的熱損失。單位長(zhǎng)度蒸汽管道總的傳熱系數(shù)與以下因素有關(guān)：蒸汽和管壁的對(duì)流換熱系數(shù)、鋼管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)、保溫層(玻璃棉)的導(dǎo)熱系數(shù)、外層材料(福勒斯)的導(dǎo)熱系數(shù)、空氣與管道的對(duì)流換熱系數(shù)。單位長(zhǎng)度蒸汽管道的總傳熱熱阻為[12]

式中：h1為蒸汽與鋼管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；d1為鋼管內(nèi)壁直徑，m；d2為鋼管外壁直徑，m；d3為玻璃棉外壁直徑，m；d4為福勒斯外壁直徑，m；λ2為鋼管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λ3為玻璃棉導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λ4為福勒斯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h0為空氣與管道間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

h1可根據(jù)公式計(jì)算得到

對(duì)于h0，認(rèn)為蒸汽管路外空氣的流動(dòng)情況為圓柱體與常溫空氣自然對(duì)流工況，則

式中：Nu為努塞爾數(shù)；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K)。

為簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為蒸汽管段從過(guò)熱狀態(tài)到出口狀態(tài)為定壓過(guò)程，則散熱量即為焓差。

Δh=hin-hout

式中：hin為過(guò)熱蒸汽進(jìn)入管段時(shí)的焓值，kJ/kg；hout為蒸汽出管段時(shí)的比焓值，kJ/kg；Δh為定壓蒸汽進(jìn)出口比焓差，kJ/kg

單位長(zhǎng)度蒸汽管路散熱量

式中：m為蒸汽流量，kg/h；?為單位蒸汽管段熱流量，W/m；tf為蒸汽定性溫度，K；t0為空氣溫度，K。

從而可以得到蒸汽流量：

選取0.4 MPa表壓(飽和蒸汽溫度152 ℃)下不同溫度的過(guò)熱蒸汽、不同管徑條件下所需的最小流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單位長(zhǎng)度蒸汽管段冷凝所需最小流量 kg/(h·m)

由表1可見(jiàn)，如要維持蒸汽管內(nèi)不產(chǎn)生凝結(jié)水，160 ℃微過(guò)熱的蒸汽所需要的流量較大，為了不浪費(fèi)蒸汽，提高一定的過(guò)熱蒸汽溫度能有效地減少蒸汽量?？紤]到蒸汽經(jīng)過(guò)管路最終進(jìn)入鍋爐內(nèi)，蒸汽管路的沿程散熱損失即可認(rèn)為是總的熱能損失，由于蒸汽未被完全冷卻為冷凝水，即汽化潛熱未損失，所以維持間歇用戶管路蒸汽的方案不會(huì)顯著降低蒸汽管網(wǎng)的綜合能量利用率。提高船用鍋爐蒸汽出口溫度會(huì)造成蒸汽經(jīng)過(guò)用戶換熱后，可能存在沒(méi)有被完全冷凝的情況，需要根據(jù)蒸汽耗量、蒸汽沿程長(zhǎng)度綜合考慮鍋爐出口溫度。

5 結(jié)論

對(duì)于目前大型船舶里的復(fù)雜蒸汽管網(wǎng)，通過(guò)合理設(shè)置疏水點(diǎn)、正確選用疏水閥，并保證一定的管路坡度來(lái)減少水錘、凝水不暢、疏水閥泄漏等問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算認(rèn)為，對(duì)于間歇性用戶，可以通過(guò)將進(jìn)口飽和蒸汽提高為過(guò)熱蒸汽的方法來(lái)減少管路中出現(xiàn)的凝水積存現(xiàn)象，減少蒸汽系統(tǒng)中疏水閥的配置。對(duì)于蒸汽進(jìn)口溫度提高值，需要綜合用戶蒸汽用量及管路沿程長(zhǎng)度綜合考慮。