不同工況下蒸汽疏水器排水量計算與選型

摘 要

摘要：介紹了蒸汽疏水器的分類和比較，總結了選型原則。分析計算了不同工況下蒸汽疏水器的理論排水量，考慮選擇倍率和背壓率，計算得到實際排水量，以此進行疏水器的初選。對初選疏水
摘要：介紹了蒸汽疏水器的分類和比較，總結了選型原則。分析計算了不同工況下蒸汽疏水器的理論排水量，考慮選擇倍率和背壓率，計算得到實際排水量，以此進行疏水器的初選。對初選疏水器的疏水能力進行校核，確定疏水器型號。
關鍵詞：蒸汽疏水器；選擇倍率；背壓率；排水量；選型
Calculation and Type Selection of Water Displacement of Steam Trap under Different Conditions
AN Qiang
Abstract：The classification and comparison of steam traps are introduced，and the principles of type selection are summarized.The theoretical water displacement of steam traps under different conditions are analyzed and calculated.Taking account of the selected magnification and back pressure rate，the actual water displacement is calculated to make initial selection of steam trap.The capacity of selected steam trap is checked，and the trap type is determined.
Key words：steam trap；selected magnification；back pressure rate；water displacement；type selection
1 概述
   疏水器按工作原理一般可分為3種類型：機械型、熱靜力型、熱動力型[1～2]。3種類型疏水器的比較見表1[3]，設疏水器前的壓力為p1。
表1 3種類型疏水器的比較
項目
機械型
熱靜力型
熱動力型
排水
飽和水
過冷水
過冷水
過冷度/℃
0
10～30
6～8
漏汽率/%
2～3
1
2～3
允許背壓
0.8p1
0.5p1
0,25p1～0.50p1
結構大小
大
較小
較小
安裝方向
水平
水平、豎直
水平、豎直
動作性能
可靠，動作間隔時間短
較可靠，動作間隔時間長
較可靠，動作間隔時間長
使用壽命
長
較短
較短
    選擇疏水器時，不能單純根據最大排水量進行選擇，也絕不允許只根據管徑來套用疏水器。必須根據疏水器的選擇原則并結合疏水器的設置位置來選用[3]。
    對于中低壓蒸汽輸送管道，管道中途、末端和最低點處產生的凝結水必須迅速并完全排除，否則易造成水擊。蒸汽含水率提高，將使蒸汽溫度降低，滿足不了用汽設備的工藝要求。因此，中低壓蒸汽輸送管道宜選用機械型疏水器(自由浮球式、倒吊桶式)。
    對于要求加熱速度快、加熱溫度控制嚴格的加熱設備，不能積存凝結水，只要有凝結水就需立即排出，故宜選擇能排出飽和水的機械型疏水器。
    對于有較大的受熱面，對加熱速度、加熱溫度控制要求不嚴格的加熱設備(如蒸汽采暖管道和蒸汽伴熱管道)允許積水，故宜選用熱靜力型疏水器。
    對于間歇工作的室內蒸汽加熱設備和管道，宜選用倒吊桶式疏水器。
2 不同工況下排水量的計算
    疏水器在各種壓差下的排水量，是選擇疏水器的一個重要因素。如果選用的疏水器排水量太小，則不能及時排出疏水器中的全部凝結水，凝結水受阻倒流，最終造成堵塞，使設備加熱效率顯著降低，并產生嚴重的水擊或水錘現象。反之，選用排水量太大的疏水器，將導致閥門關閉件過早磨損和失效，且隨著閥體的增大，制造成本也將增加。因此，對設備或管道內產生的凝結水量，必須準確地測定或計算，為正確選用疏水器提供條件。
2.1 不同工況下疏水器理論排水量的計算
2.1.1蒸汽輸送管道中疏水器理論排水量的計算
    蒸汽輸送過程中會有部分蒸汽由于散熱而凝結成水，如果凝結水不能正常排出，就會沖擊沿線的閥門、儀表、彎頭，造成水擊。而且過高的含水率使蒸汽溫度降低，影響換熱器的換熱效果。因此，在蒸汽輸送管道的中途、末端、最低點以及管道抬高的位置必須設置疏水器。考慮啟動和正常運行時的排水量不同，應設置啟動疏水器和經常疏水器。
   ① 啟動疏水器
在預熱階段，冷凝率最高，冷凝率將決定管道上啟動疏水器的大小。啟動疏水器理論排水量的計算公式為：
 
式中q1——啟動疏水器的理論排水量，kg/s
    m1——每個啟動疏水器作用范圍內的管道質量，kg
    c1——管道的比熱容，J/(kg·K)
    △t1——管道的升溫速度，℃/s
    m2——每個啟動疏水器作用范圍內管道保溫材料的質量，kg
    c2——保溫材料的比熱容，J/(kg·K)
    △t2——保溫材料的升溫速度，℃/s
    h1——工作條件下過熱蒸汽或飽和蒸汽的比焓，J/kg
    h2——工作條件下飽和水的比焓，J/kg
   ② 經常疏水器
蒸汽輸送過程中，單位長度管道的熱損失可根據圓筒體的導熱微分方程[4]計算得到。忽略蒸汽和管壁的熱阻，可得下式：
 
式中Φ——單位長度管道的熱損失，W/m
    t1——飽和蒸汽溫度，℃
    t2——保溫層外側溫度，℃
    λ——保溫材料的熱導率，W/(m·K)
    d2——管道保溫層的外直徑，mm
d1——管道外直徑，mm
 
式中q2——經常疏水器的理論排水量，kg/s
    l——每個經常疏水器作用范圍內管道的長度，m
2.1.2蒸汽伴熱管道中疏水器理論排水量的計算
    輸送粘性液體等介質的管道，常常利用蒸汽伴熱管道使其維持較高溫度。蒸汽伴熱管道通常由一根或多根安裝在介質管道周圍的小直徑蒸汽管道組成。
    伴熱蒸汽消耗量的計算很復雜，因為它取決于兩種管道的接觸情況、導熱膠的使用情況、輸送介質的溫度以及蒸汽伴熱管道沿線的溫度和壓力等因素。一般認為疏水器的排水量等于伴熱蒸汽管道的蒸汽消耗量。環境溫度大于-20℃時伴熱蒸汽管道的最大蒸汽消耗量見表2。
表2 伴熱蒸汽管道的最大蒸汽消耗量
介質需保持的溫度/℃
項目
介質管道的公稱直徑/mm
40～50
80～100
150～200
250～350
450～500
＜60
蒸汽伴熱管道數量/根
1
1
1
1
2
蒸汽伴熱管道的公稱直徑/mm
15
15
20
25
20
疏水器的最大間距/m
100
100
120
150
120
單位長度蒸汽伴熱管道的蒸汽小時消耗量/(kg·m-1·h-1)
0.20
0.20
0.25
0.35
0.50
61～100
蒸汽伴熱管道數量/根
1
1
2
2
2
蒸汽伴熱管道的公稱直徑/mm
20
25
20
20
25
疏水器的最大間距/m
120
150
120
120
150
單位長度蒸汽伴熱管道的蒸汽小時消耗量/(kg·m-1·h-1)
0.25
0.35
0.50
0.50
0.70
2.1.3蒸汽加熱設備中疏水器理論排水量的計算
   對于蒸汽加熱設備，在滿足工藝要求的條件下，凡凝結水有可能被回收的，應盡量采用蒸汽間接加熱方式，以提高凝結水的回收質量，回收率一般不得小于60%。
蒸汽凝結水量等于設備的蒸汽消耗量。蒸汽加熱設備運行時的排水量計算公式[5]為：
 
式中q3——疏水器的理論排水量，kg/h
    cp——被加熱介質的比定壓熱容，J/(kg·K)
    ρ——被加熱介質的密度，kg/m3
    qv——被加熱介質的體積流量，m3/h
    △t3——被加熱介質的溫升，℃
2.2 蒸汽疏水器設計排水量的計算
   設計排水量需要在理論排水量基礎上考慮選擇倍率，設計排水量的計算公式為：
    qd=Kq    (5)
式中qd——疏水器的設計排水量，kg/h
    K一疏水器的選擇倍率
    q——疏水器的理論排水量，kg/h
   確定選擇倍率時應考慮以下因素：
   ① 安全因素，即要考慮換熱系統的可調節性。系統的理論計算與實際運行工況總會存在差異，且運行工況也不可能一成不變。如果提高換熱設備的出力，則凝結水量會相應增加，因此疏水器的設計排水能力也要相應提高。
   ② 使用因素。換熱設備在低壓力、大荷載情況下啟動，或需要迅速加熱用汽設備時，系統的凝結水量將遠大于設備正常運行時的凝結水量，因此要求疏水器的設計排水能力相應提高。
   不同使用要求下蒸汽疏水器的選擇倍率見文獻[3]。
2.3 蒸汽疏水器實際排水量的計算
    背壓率是指疏水器在工作壓力下能正常工作，連續排出凝結水時，疏水器閥后壓力與閥前壓力的比值。
    凝結水經過疏水器時被絕熱節流，產生二次蒸汽，二次蒸汽通過閥孔時要占據很大一部分閥孔面積，因此排水量比排出過冷凝結水時減少很多，故需要考慮背壓導致疏水器排水量的下降率，則實際排水量的計算公式為：
    qf=qd/(1-η)    (6)
式中qf——疏水器的實際排水量，kg/h
    η——背壓導致疏水器排水量的下降率，需根據疏水器的進口壓力和背壓率確定
2.4 蒸汽疏水器排水量的校核計算
根據實際排水量對疏水器進行初選。疏水器樣本給出的排水量等性能參數，多數是以過冷凝結水為流動介質得到的，當產生二次蒸汽時，必須對疏水器的排水能力進行校核。疏水器排水能力的校核按下式[6]進行：
 
式中qc——疏水器的校核排水量，kg/h
   Ap——疏水器的排水系數
    d——疏水器的排水閥孔直徑，mm
    △p——疏水器前后的壓差，kPa
    若qc比qf稍大或近似相等，則疏水器選型合理；若兩者相差較大，則需重新選擇疏水器，并重新進行校核，直至qc比qf稍大或近似相等為止。
3 應用實例
    一臺汽水換熱器機組，凝結水出口管徑為DN 25mm，將4.05m3/h的水從10℃加熱至90℃。加熱器的蒸汽壓力為0.6MPa，此壓力下蒸汽的汽化潛熱為2085kJ/kg，疏水器的背壓為0.15MPa。需要對疏水器進行選型。
    按照習慣的選型方法，將不經過計算，只按照加熱器的出口管徑選擇DN 25mm的疏水器，進而選擇DN 25mm的凝結水管。這種選型是錯誤的，忽略了壓差等因素的影響。
    已知選擇倍率K=2，背壓導致疏水器排水量的下降率η=3%。根據式(4)～(6)可得疏水器的實際排水量qf=1340kg/h。根據樣本選擇CSa41H-16C-D型DN 40mm疏水器，其排水閥孔直徑d=7mm。
查得Ap=15，根據式(7)計算得qc=1560kg/h，qc大于qf，說明所選擇的疏水器合理。
參考文獻：
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[2] 王金國，薛潤林，張勇.疏水器在壓縮空氣排水中的應用[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：471-472.
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[4] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].3版.北京：高等教育出版社.1998：29-35.
[5] 機械工業第一設計研究院.05R407蒸汽凝結水回收及疏水裝置的選用與安裝[S].北京：中國建筑標準設計研究院，2005：25-31.
[6] 賀平，孫剛.供熱工程[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，1993：100-101.
 
(本文作者：安強 中核第四研究設計工程有限公司 河北石家莊 050021)