自動排氣定壓補水裝置在船舶空調循環水系統中的應用

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系統，如熱水采暖及空調系統水處理設施[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，提高系統運行效率，消除藻類及細菌的滋生，更加節能環保。

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水系統中游離態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系統的定壓功能，當系統水溫變化或微漏引起水的體積變化時，利用氣壓罐內氣體的壓縮性的緩沖作用，自動穩定系統壓力在預設的范圍內[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定壓取樣點壓力的變化，比對設定壓力，自動對系統補水。

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，通過系統壓力、液位、真空泵及補水泵運行狀態等信號實時采集和外部控制信號快速、準確地響應，在PLC內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，使系統安全穩定運行。系統功能原理如圖1所示。

圖1 系統功能原理圖

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，將系統中的一部分液體置于真空環境下，液體中的游離氣體和溶解氣體就會釋出并與系統分離，之后這些脫氣的、具有吸收性的液體將被重新注回系統參加循環，會吸收系統中已經存在的游離氣體和溶解氣體，以再次達到平衡。這樣的過程循環往復，系統中幾乎所有的氣體將全部被釋放出了。

系統在日常運行階段，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，避免系統的氧腐蝕，延長設備的使用壽命。

真空排氣循環包括下面幾個階段，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，系統中的循環水通過管路進口，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。真空噴管中的經過排氣的水通過水泵返回系統管路。

3）排氣

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

4）待機

當氣體被排除之后，設備保持待機狀態，直到下一次排氣循環開始。

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）

1.3 定壓模塊

定壓模塊通過定壓罐而實現，定壓罐在循環供水系統中起到穩定壓力作用，防止系統壓力忽高忽低，減少補水泵頻繁啟動，還可以用來吸收系統因閥門、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的動態平衡。定壓罐是由鋼質外殼、橡膠氣囊內膽構成的儲能器件，橡膠氣囊把水室和氣室完全隔開。當系統壓力降低時，預充氮氣的壓力將氣囊里的水擠入系統，減緩系統壓力降低，起到穩壓作用；當系統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，防止系統壓力急劇上升，同樣起到穩定系統壓力作用。

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。由于系統滲漏或其他原因造成系統缺水導致系統的壓力低于設定值時，啟動補水泵將水箱中的水或系統外的水強制補進系統中直至系統壓力達到要求補水泵即停止運行。主要目的是：確保系統內循環水不倒空、不汽化、不超壓，并保持有一定的壓力，保證系統的穩定正常運行。

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、停及系統的故障報警。

2 結構設計及特點

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，方便安裝、集中管理控制，結構如圖3所示。

圖3 排氣＋定壓＋補水＋控制組合結構圖

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，直至壓力達到系統設定值停止補水。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，結構見圖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，必須提供高于系統正常運行的壓力。結構見圖7，原理見圖8。

以上是不同模塊的組合形式，也可根據實船的實際情況進行其他方式的組合。

圖5 排氣＋控制組合結構圖

圖6 排氣＋控制組合原理圖

圖7 定壓＋補水＋控制組合結構圖

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，內置為丁基橡膠隔膜內膽，隔膜內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，系統里相對較高壓力的循環水先進入常壓罐隔膜內膽內，因隔膜內因壓力降低，水中的氣體自然析出，通過頂部的排氣閥排出，隔膜內的水再通過水泵重新進入系統，往復循環達到排氣的目的。常壓下，排氣只能排出系統中游離氣泡的氣體，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的氣泡，特別是氧氣，降低其對系統管網及設備形成氧腐蝕，延長設備使用壽命，尤其是在船舶領域，鹽霧、霉菌等因素，環境較為惡劣，真空排氣裝置顯得尤為重要。

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

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，其并不適用于系統初次加水或系統出現較大漏水現象時來進行補水。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，方便系統補水。而在實際使用過程中，可根據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），但外部補水管網必須有足夠的壓力，否則無法進行補水，如外部管網壓力較大時候，則需要設減壓閥，否則會對系統管網及設備造成損壞。

4 結論

本文介紹了自動排氣定壓補水裝置在船舶空調循環水及熱水采暖系統中的應用，閉式循環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的高點或局部高點；2）氣體以游離氣泡形式存在隨系統循環水運動；3）氣體溶解在水中并隨系統循環運動。這些氣體會對系統帶來不利影響，積聚的氣體會產生氣阻，造成系統阻力不平衡，系統循環不暢，產生噪音、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更加高效、穩定、安全、可靠地運行。