蒸汽疏水閥選型原則

羅暉 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

蒸汽疏水閥選型原則

羅暉*華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

根據疏水閥的國家標準和實際使用效果，采用定性、定量相結合的方法，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

在工程設計中，蒸汽疏水閥不再僅僅是保證用汽設備高效工作、凝結水及時排出、蒸汽和凝液系統平穩運行的重要閥門，其“自動運行、阻汽排水”的節能功效已越來越凸顯出來，全國在用的蒸汽疏水閥約1500萬臺，其中約50%因選型原因達不到漏汽量≤3%、使用壽命≥8000h的現行國標要求，每年因此損失約23000kt標煤。為提高能源使用效率并最大限度回收能量，針對不同的使用工況選擇質量可靠、型號合適的蒸汽疏水閥便成為工程設計中一項重要的工作。

本文以甘肅某公司生產的蒸汽疏水閥為例，結合設計經驗和現場實際使用情況，從工程設計的角度介紹蒸汽疏水閥選型原則和疏水量計算方法(帶動力蒸汽疏水閥不在本文討論范圍)。

1 選型原則

根據蒸汽冷凝水的系統要求和疏水閥的特性參數，從過冷度、背壓率、壓差、疏水量和蒸汽壓力5個方面，闡述疏水閥的選型原則。

1.1 過冷度

過冷度既是系統要求，也是疏水閥特性參數。

(1)當蒸汽設備要求加熱速度快、溫度控制嚴、不積存凝結水、嚴格保證傳熱效率時，系統要求蒸汽冷凝水的過冷度最小，應優先選用過冷度最小(≤5℃)的機械型疏水閥。

(2)當蒸汽設備對加熱速度、溫度沒有嚴格要求，但積存的冷凝水會干擾蒸汽設備的穩定運行時，雖然系統對蒸汽冷凝水的過冷度無明確要求，原則上也應優先選用過冷度最小(≤5℃)的機械型疏水閥。

(3)當蒸汽設備有利用冷凝水顯熱的要求時(伴熱管道等)，系統要求蒸汽冷凝水的過冷度較大，應選用過冷度大且可調(≥15℃)的熱靜力型疏水閥。

1.2 背壓率

背壓率為系統要求，允許背壓率為疏水閥特性參數。

式中，PX為背壓率;Py為允許背壓率;P1為疏水閥進口操作壓力，MPa;P2為疏水閥出口操作壓力，MPa;P3為疏水閥進口試驗壓力，MPa;P4為疏水閥出口最大試驗壓力，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。背壓率是指實際操作環境下疏水閥前后操作壓力的百分比，是系統要求;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。因試驗中的環境、介質運行平穩，背壓變化緩慢，所以允許背壓率實際上是該疏水閥的理想值或能達到的最大值，在實際應用中必須考慮到偶然因素給疏水閥動作帶來的影響(如:季節變化、負荷波動等)，因此要求疏水閥允許背壓率大于蒸氣冷凝水系統實際背壓率，兩者差值不能太小，更不能相等。

(3)無背壓蒸汽冷凝水系統對疏水閥類型無要求。

(4)有背壓蒸汽冷凝水系統應優先選用允許背壓率最高(80%)的機械型疏水閥;如因安裝空間、安裝形式、過冷度等因素限制，可改用允許背壓率適中(50%)的熱動力型疏水閥;當蒸氣冷凝水系統要求有較大過冷度時(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P≥0.10MPa，且排放量≥100kg/h的冷凝水通過管網回收時，優先選用允許背壓率最高的機械型疏水閥;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、且熱能低無回收價值，可就地排入地溝時，選用允許背壓率最小的熱靜力型疏水閥。

1.3 壓差

壓差為系統要求，最小允許壓差為疏水閥特性參數。

(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。壓差是指實際操作環境下疏水閥前后操作壓力差，是系統要求;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。因試驗中的環境、介質運行平穩，閥后壓力變化緩慢，所以最小允許壓差實際上是該疏水閥的理想值或能達到的最小值，在實際應用中必須考慮到偶然因素給疏水閥動作帶來的影響(如:季節變化、負荷波動等)，因此要求蒸氣冷凝水系統實際壓差大于疏水閥最小允許壓差，當兩者相等時，疏水閥將不能正常工作。

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

1.4 疏水量

疏水量既是系統要求，也是疏水閥特性參數。

1.4.1 開工時管道的冷凝水量

式中，G1為開工時管道的冷凝水量，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為管道長度，m。

1.4.2 生產時管道的散熱量

式中，G2為生產時管道的散熱量，W/(m·h);TS為蒸汽溫度，℃;T0為大氣溫度，℃;λ為保溫材料的導熱系數，W/(m·℃)，(一般巖棉為0.043);D1為保溫層內徑，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，W/(m2·℃);ω為風速，m/s。

1.4.3 生產時管道的冷凝水量

式中，G3為生產時管道的冷凝水量，kg/h;L為管道長度，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為開工時管道的疏水量，kg/h;G5為生產時管道的疏水量，kg/h;G1為開工時管道的冷凝水量，kg/h;G3為生產時管道的冷凝水量，kg/ h;N為安全系數(按文獻1表B1所列)。

(1)蒸汽系統實際疏水量與疏水閥額定疏水量是不同的。蒸汽系統實際疏水量是指一定工藝條件下假定疏水閥連續排出冷凝水的計算值，是系統要求;疏水閥額定疏水量是指在相同工藝條件下一段額定時間內疏水閥排出冷凝水的實測值，是疏水閥的特性參數。考慮到絕大部分疏水閥間斷排水的運作特點以及開車等的非正常工況，疏水量的計算值還需要乘以“安全系數”，才能得到用來選擇疏水閥的額定疏水量。

(2)過熱蒸汽的疏水量計算同上，只需將蒸汽焓值與過熱溫度一一對應即可，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熱蒸汽，因此高壓、過熱蒸汽一般選用熱動力型疏水閥。

1.5 蒸汽壓力

蒸汽壓力為系統要求，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的設計壓力，是系統要求;最大允許壓力是指某一型號某一材質疏水閥能夠承受的最大蒸汽壓力，是疏水閥的特性參數。一般疏水閥最大允許壓力＞蒸汽設計壓力，但不能相差過大，因為最大允許壓力(有時稱為公稱壓力)過高的疏水閥在低操作壓力工況下疏水量會相應減少，直接影響冷凝水排出效果。

2 案例分析

2.1 工藝條件

東北某化工廠裝置管廊上主蒸汽管道低點選用圓盤式疏水閥排放蒸汽冷凝水，其工藝條件見表1。

表1 蒸汽管道工藝條件

2.2 故障現象

開車階段升溫發現該閥不動作，管內冷空氣和初期冷凝水未排出，蒸汽管道伴有輕微水錘現象，打開閥前放凈排放出空氣和大量冷凝水后現象消失。

冬季蒸汽系統負荷較低時，該閥啟閉件活動異常(發出“啪啪啪”頻率較高的啟閉響聲)，當降至1/2正常負荷后，啟閉件已不再閉合，二次蒸汽夾帶少量冷凝水連續排出。

2.3 故障分析

開車階段閥門開啟度大，冷空氣、蒸汽速度過快，當冷空氣經過疏水閥時在啟閉件兩側產生了流速差、壓力差，閉合了啟閉件，導致冷空氣、初期冷凝水無法排出造成“氣堵”現象。

冬季在室外極寒環境下，因蒸汽冷凝速度快，導致疏水閥啟閉件頻繁開關，此時如蒸汽負荷、壓力降低很多，閥前又有較長的“冷凝段”，流經啟閉件的蒸汽和冷凝水混合物的速度已無法在啟閉件兩側產生壓力差，導致蒸汽夾帶冷凝水連續“噴放”的現象。

根據以上分析可知，該疏水閥型式不適當，應該重新選型。

2.4 計算

2.4.1 過冷度

雖然主蒸汽管道不要求100%無冷凝水出現，但考慮到蒸汽輸送波動對工藝系統的影響，應盡量保證主蒸汽管道平穩運行，減少管道內冷凝水的存留量，最大程度的避免水錘，因此可初步選定過冷度最小的機械型疏水閥。

2.4.2 背壓率

根據式(1)計算得:

背壓率為0，對疏水閥類型無要求。

2.4.3 壓差

根據式(3)計算得:

壓差最大，對疏水閥類型無要求。

2.4.4 疏水量

(1)根據式(5)計算開工時管道的冷凝水量(升溫時間按1h考慮):

(2)根據式(6)計算生產時管道的散熱量:

(3)根據式(7)計算生產時管道的冷凝水量:

(4)根據式(8)計算開工時管道的疏水量(按文獻1表B1所列，取N=3):

(5)根據式(9)計算生產時管道的疏水量:

2.4.5 蒸汽壓力

飽和蒸汽設計壓力為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)比較開工和生產時管道的疏水量:相差近10倍，但由于生產時管道的疏水量(27.9 kg/ h)太小，不好選型且相比開工時管道的疏水量(291 kg/h)在價格上無明顯優勢，因此按開工時疏水量291 kg/h選型。

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

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

3 選型建議

(1)當排水量≥15 t/h時，選用杠桿浮球式疏水閥。

(2)當排水量為8～15 t/h時，選用自由浮球式疏水閥。

(3)當排水量≤8 t/h時，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械型。

(5)無背壓蒸汽伴熱管道選用熱靜力型疏水閥。

(6)高壓、過熱蒸汽選用熱動力型疏水閥。

4 結語

(1)蒸汽疏水閥的疏水量隨壓差動態變化，壓差越大，疏水量越大。

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

1 GBT 12712－1991，蒸汽供熱系統凝結水回收［S］．

2 中井多喜雄著．李坤英譯．蒸汽疏水閥［M］．北京:機械工業出版社，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:高級工程師。1993年畢業于武漢化工學院有機化工專業。現從事石油化工工程的管道設計工作。聯系電話:(029) 87989025。

(修改回稿2011－11－30)