自動排氣定壓補水裝置在船舶空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)中的應用

王愛龍，于志強，陳 瑜

（無錫海核裝備科技有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

自動排氣定壓補水裝置主要由排氣模塊、定壓模塊、補水模塊、控制模塊及管路閥件等組成。自動排氣定壓補水裝置適用于閉式循環(huán)系統(tǒng)，如熱水采暖及空調(diào)系統(tǒng)水處理設施[1]，集自動排氣、定壓、補水及控制功能于一體，可有效解決水泵氣蝕和氣堵等問題，延長水泵運行壽命，提高系統(tǒng)運行效率，消除藻類及細菌的滋生，更加節(jié)能環(huán)保。

1 功能原理及特點

1.1 功能原理介紹

1）排氣功能

裝置通過排氣模塊高效地排除循環(huán)水系統(tǒng)中游離態(tài)的氣體和溶解于水中的氣體。

2）定壓功能

裝置通過定壓罐實現(xiàn)系統(tǒng)的定壓功能，當系統(tǒng)水溫變化或微漏引起水的體積變化時，利用氣壓罐內(nèi)氣體的壓縮性的緩沖作用，自動穩(wěn)定系統(tǒng)壓力在預設的范圍內(nèi)[2]。

3）補水功能

當定壓罐不能滿足定壓的要求時，裝置通過補水模塊根據(jù)定壓取樣點壓力的變化，比對設定壓力，自動對系統(tǒng)補水。

4）控制功能

控制模塊采用PLC控制器為控制核心，配有觸摸屏操作顯示，通過系統(tǒng)壓力、液位、真空泵及補水泵運行狀態(tài)等信號實時采集和外部控制信號快速、準確地響應，在PLC內(nèi)部進行運算和邏輯控制，對自動排氣定壓補水裝置控制和保護，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。系統(tǒng)功能原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能原理圖

1.2 排氣模塊

排氣模塊采用真空噴射排氣技術，其工作原理是在不改變水溫的情況下，將系統(tǒng)中的一部分液體置于真空環(huán)境下，液體中的游離氣體和溶解氣體就會釋出并與系統(tǒng)分離，之后這些脫氣的、具有吸收性的液體將被重新注回系統(tǒng)參加循環(huán)，會吸收系統(tǒng)中已經(jīng)存在的游離氣體和溶解氣體，以再次達到平衡。這樣的過程循環(huán)往復，系統(tǒng)中幾乎所有的氣體將全部被釋放出了。

系統(tǒng)在日常運行階段，考慮到更多的是溶解在水中的氣體，采用真空排氣裝置[3]。根據(jù)亨利定律：在一定的壓力下，氣體在水中的溶解度與溫度成反比，即溫度升高，氣體在水中溶解度降低。在一定的溫度下，氣體在水中的溶解度與壓力成正比，即壓力降低，氣體在水中溶解度降低。使用真空噴射式排氣裝置進行脫氣，它能夠快速有效地去除所有游離氣體和溶解氣體，避免系統(tǒng)的氧腐蝕，延長設備的使用壽命。

真空排氣循環(huán)包括下面幾個階段，如圖2所示。

1）抽真空

水泵啟動開始抽真空，真空噴管的進口保持關閉。

2）霧化

真空噴管進口開啟，系統(tǒng)中的循環(huán)水通過管路進口，以霧狀形式噴射到真空管中。

由于霧狀的水表面積增大，進入真空環(huán)境中，水中溶解的氣體迅速析出，從而達到排氣的效果。真空噴管中的經(jīng)過排氣的水通過水泵返回系統(tǒng)管路。

3）排氣

水泵停止運行。系統(tǒng)持續(xù)將水噴入真空噴管。噴管內(nèi)水位上升，從水中分離出來的氣體通過排氣閥排到系統(tǒng)外界。

4）待機

當氣體被排除之后，設備保持待機狀態(tài)，直到下一次排氣循環(huán)開始。

圖2 抽真空-霧化-排氣-待機過程示意圖

圖2 抽真空-霧化-排氣-待機過程示意圖（續(xù)）

1.3 定壓模塊

定壓模塊通過定壓罐而實現(xiàn)，定壓罐在循環(huán)供水系統(tǒng)中起到穩(wěn)定壓力作用，防止系統(tǒng)壓力忽高忽低，減少補水泵頻繁啟動，還可以用來吸收系統(tǒng)因閥門、水泵等開和關所引起的水錘沖擊，以達到壓力在較小范圍內(nèi)的動態(tài)平衡。定壓罐是由鋼質(zhì)外殼、橡膠氣囊內(nèi)膽構(gòu)成的儲能器件，橡膠氣囊把水室和氣室完全隔開。當系統(tǒng)壓力降低時，預充氮氣的壓力將氣囊里的水擠入系統(tǒng)，減緩系統(tǒng)壓力降低，起到穩(wěn)壓作用；當系統(tǒng)壓力升至高于氣室里氮氣的壓力時，水進入膨脹罐的氣囊中，此時氣囊膨脹，吸收壓力，防止系統(tǒng)壓力急劇上升，同樣起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力作用。

1.4 補水模塊

補水模塊是由補水泵及各類閥門和閥件組成。由于系統(tǒng)滲漏或其他原因造成系統(tǒng)缺水導致系統(tǒng)的壓力低于設定值時，啟動補水泵將水箱中的水或系統(tǒng)外的水強制補進系統(tǒng)中直至系統(tǒng)壓力達到要求補水泵即停止運行。主要目的是：確保系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水不倒空、不汽化、不超壓，并保持有一定的壓力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運行。

1.5 控制模塊

控制模塊的作用：利用各種傳感器得到的各種信號傳輸至控制器，再通過控制器傳出的控制信號控制補水泵的啟、停及系統(tǒng)的故障報警。

2 結(jié)構(gòu)設計及特點

由于船舶空間較小，所有設備都要緊湊、合理地進行布置，因此在設計時考慮不同船型和空間位置特點，將以上模塊自由組合或單獨成塊設計，同時還要考慮減震措施，以滿足船舶搖擺、傾斜和沖擊等環(huán)境及空間要求。

2.1 排氣＋定壓＋補水＋控制模塊組合

這種組合是集排氣、定壓、補水及控制功能于一體，所有模塊集成在一個公共底座上，所有對外接口位于同側(cè)，方便安裝、集中管理控制，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排氣＋定壓＋補水＋控制組合結(jié)構(gòu)圖

排氣模塊主要由真空泵、真空脫氣罐、電動閥、過濾器和截止閥等通過管路連接而成，為提高排氣效率，引水口和出水口之間的距離不小于500 mm。補水模塊主要由2臺補水泵、補水水箱、加水泵及管路閥門組成。采用補水泵補水方式[4]，當系統(tǒng)壓力傳感器檢測到壓力低于設定值時，通過啟動補水泵將水箱中的水強制補水系統(tǒng)，直至壓力達到系統(tǒng)設定值停止補水。其中，補水箱設液位計及高、中、低3個位液位開關，低液位啟動加水泵向水箱補水，中液位停止加水，高液位報警提示。定壓接口和補水接口一般接到主系統(tǒng)的回水管路上，原理如圖4所示。

圖4 自動排氣定壓補水系統(tǒng)原理圖

2.2 排氣＋控制模塊組合

該組合只有排氣和控制功能，由于組合體積較小，適用于空間比較緊湊的場合，結(jié)構(gòu)見圖5，原理見圖6。

2.3 定壓＋補水＋控制模塊組合

該組合具有定壓、補水和控制功能，定壓采用通用膨脹罐的形式，補水不同于以上水泵強制性補水，而是通過1路補水管路，管路上設有電磁閥、自動補水閥、壓力傳感器（或壓力控制器）、過濾器以及截止閥等附件，外部管路接口接帶有水壓壓力的接口，如船用壓力水或生活自來水，必須提供高于系統(tǒng)正常運行的壓力。結(jié)構(gòu)見圖7，原理見圖8。

以上是不同模塊的組合形式，也可根據(jù)實船的實際情況進行其他方式的組合。

圖5 排氣＋控制組合結(jié)構(gòu)圖

圖6 排氣＋控制組合原理圖

圖7 定壓＋補水＋控制組合結(jié)構(gòu)圖

圖8 定壓＋補水＋控制組合原理圖

3 其他特點對比分析

3.1 真空脫氣排氣與常壓排氣的區(qū)別

常壓排氣是利用常壓罐進行排氣的。常壓罐外部為基本鋼罐，內(nèi)置為丁基橡膠隔膜內(nèi)膽，隔膜內(nèi)膽頂部設自動排氣閥，罐與隔膜之間的空間與大氣相通，因此稱為常壓罐或無壓罐[5]。在正常使用時，系統(tǒng)里相對較高壓力的循環(huán)水先進入常壓罐隔膜內(nèi)膽內(nèi)，因隔膜內(nèi)因壓力降低，水中的氣體自然析出，通過頂部的排氣閥排出，隔膜內(nèi)的水再通過水泵重新進入系統(tǒng)，往復循環(huán)達到排氣的目的。常壓下，排氣只能排出系統(tǒng)中游離氣泡的氣體，但不能完全排出溶解在水中的氣體。而真空噴射排氣則可以解決溶解在水中的氣體和游離態(tài)的氣泡，特別是氧氣，降低其對系統(tǒng)管網(wǎng)及設備形成氧腐蝕，延長設備使用壽命，尤其是在船舶領域，鹽霧、霉菌等因素，環(huán)境較為惡劣，真空排氣裝置顯得尤為重要。

在系統(tǒng)在進行初次加水時，在管網(wǎng)最高點或局部高點容易形成氣體團聚現(xiàn)象，故應該此處設普通機械式自動排氣閥，方便對循環(huán)水系統(tǒng)進行排氣。

3.2 補水方式的選擇及其注意點

自動補水僅對系統(tǒng)因滲漏或其他原因造成少量缺水時進行補充，其并不適用于系統(tǒng)初次加水或系統(tǒng)出現(xiàn)較大漏水現(xiàn)象時來進行補水。圖3采用了補水泵補水的方式，補水泵采用1用1備，設備上設置1個補水水箱，方便系統(tǒng)補水。而在實際使用過程中，可根據(jù)船型及其空間位置要求，補水水箱可不設或單獨設置。補水形成也可以不采用補水泵進行補水，而采用自動補水閥進行補水控制（見圖8），但外部補水管網(wǎng)必須有足夠的壓力，否則無法進行補水，如外部管網(wǎng)壓力較大時候，則需要設減壓閥，否則會對系統(tǒng)管網(wǎng)及設備造成損壞。

4 結(jié)論

本文介紹了自動排氣定壓補水裝置在船舶空調(diào)循環(huán)水及熱水采暖系統(tǒng)中的應用，閉式循環(huán)水中不可避免都會存在一些氣體，這些氣體一般以3種形式存在：1）氣體以氣團的形式積聚在系統(tǒng)的高點或局部高點；2）氣體以游離氣泡形式存在隨系統(tǒng)循環(huán)水運動；3）氣體溶解在水中并隨系統(tǒng)循環(huán)運動。這些氣體會對系統(tǒng)帶來不利影響，積聚的氣體會產(chǎn)生氣阻，造成系統(tǒng)阻力不平衡，系統(tǒng)循環(huán)不暢，產(chǎn)生噪音、氣蝕和氣堵，可能降低水泵的有效揚程和運行效率，減少設備及管網(wǎng)的使用壽命。針對不同形式采用不同的排氣方式，都能有效解決以上存在的問題。同樣，也可采取其他形式的定壓和補水方式來保證系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定、安全、可靠地運行。