蒸汽動力船舶疏水閥性能試驗及選型

于昊，劉東民，蔡林，劉元春

1 中國艦船研究院，北京100192

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

用來疏泄和收集整個動力系統各類汽水管道疏水的管路及設備，組成了蒸汽動力船舶動力系統中的疏水系統。疏水系統不僅影響著整個熱力系統的經濟性，也關系到設備的安全和可靠運行。如果蒸汽管路中聚集的凝水不能及時排掉，就會引起管道水擊或振動，輕者損壞支、吊架，重者還會造成管道破裂和設備損壞等安全事故［1］。凝水若進入汽輪機，還會造成葉片損壞、機組振動及汽缸變形等惡性事故，嚴重影響船舶運行的可靠性［2］。疏水閥是疏水系統中的重要設備，起自動阻汽疏水的作用。依照動作原理，目前工業中常用的疏水閥有機械型、熱靜力型以及熱動力型3種。許多學者已從凝水回收原則［3］、凝水疏送要求、工業疏水閥一般適用范圍［4-5］及疏水閥關鍵部件特性等［6-8］方面進行了相關研究，并且能夠指導工業疏水閥選型設計。相比于工業領域，蒸汽動力船舶的疏水系統具有管路空間有限、工作時常處于搖擺狀態、工作壓力及背壓范圍存在波動等特點，這就使得應用于蒸汽船舶的疏水閥與工業用疏水閥存在著差別。本文將針對幾種典型疏水閥進行性能試驗，并結合實船疏水系統的設計需求，總結各類疏水閥在實船疏水系統中的適用范圍，以指導實船疏水系統設計及疏水閥選型。

1 試驗臺架及試驗用疏水閥

參照《蒸汽疏水閥 試驗方法》（GB/T12251）［9］，設計了疏水閥試驗臺。試驗臺結構示意圖如圖1所示，主要由儲水罐、蒸汽發生器、過熱器、疏水閥、觀察窗、背壓裝置、真空破壞器、稱重設備及相關閥門儀表組成。用疏水閥進行疏水阻汽試驗、疏水量測量試驗、過冷度試驗、背壓對疏水閥的影響試驗、疏水閥的橫傾和縱傾性能試驗。試驗用疏水閥包括杠桿浮球式、自由浮球式、倒吊桶式、雙金屬及圓盤式5 種。排放孔徑大小是疏水閥結構中的重要參數，在不同的工作壓力范圍下，匹配合理的排放孔徑可以達到較高的疏水量，本試驗用疏水閥的排放孔徑和壓力適用范圍如表1所示。

圖1 疏水閥試驗臺結構示意圖Fig.1 The sketch of steam trap test-beds structure

表1 試驗用疏水閥類型匯總Tab.1 Summary steam types of types for test

依照實船系統需求，疏水系統中的疏水壓力為0.1～5.0 MPa，因不同的疏水閥其工作壓力范圍不同，故不可能針對每個疏水閥都進行以上工作壓力全范圍的測試。另一方面，當疏水閥的某些因素不滿足系統要求時，也沒必要進行相應的試驗，因此，可結合疏水閥和系統壓力范圍綜合考慮進行各個工況的疏水閥選取。背壓對疏水閥的影響實質是疏水閥前、后壓差變化對輸水量的影響，因此，背壓的影響可以在低壓情況下進行，而后再利用背壓率（背壓與疏水壓力的比值）來衡量背壓對疏水性能的影響。完成常壓（0.1 MPa）疏水功能試驗后，將蒸汽和飽和水壓力升至0.7 MPa（該值為系統背壓罐能達到的最大背壓），進行自由浮球式、杠桿浮球式、倒吊桶式、雙金屬式及圓盤式這5 種疏水閥下的功能試驗及背壓試驗，然后選取倒吊桶式和圓盤式疏水閥進行中、高壓部分試驗。對于倒吊桶式疏水閥，進行2.5 和4.0 MPa 的試驗；對于圓盤式疏水閥，進行最高壓力5.0 MPa 的試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 低壓試驗

將水罐升壓至0.7 MPa，進行雙金屬式、杠桿浮球式、自由浮球式、倒吊桶式和圓盤式疏水閥試驗。對于雙金屬式熱靜力型疏水閥，需要依照現場背壓情況進行調節，根據調節位置的不同，分內調節和外調節2 種，圖2（a）所示為試驗用內調節雙金屬式疏水閥的內部結構。因其動作原理與機械式不同，故當停止輸送蒸汽并開啟飽和水閥門后，疏水閥不會馬上動作，而是需要閥門本體及前端管路冷卻一段時間后才會開始動作。開始動作時，凝水的溫度與相同壓力下的飽和溫度之差即為該疏水閥的過冷度，在本試驗中，測得雙金屬式疏水閥的過冷度為22 ℃，如圖2（b）所示。

圖2 雙金屬疏水閥試驗圖Fig.2 Photos of double-metal-style steam trap experiment

自由浮球式和杠桿浮球式屬于機械類疏水閥，其使用特點是抗背壓性能好，幾乎沒有過冷度要求。在本試驗中，自由浮球式和杠桿浮球式疏水閥在0.7 MPa 時其疏水阻汽功能良好，如圖3 所示，疏水量可達1.16 t/h。由于浮球式疏水閥受外部慣性力的影響較大，因此針對浮球式疏水閥進行了橫傾和縱傾試驗。結果表明，杠桿浮球式疏水閥具備較好的抗傾斜能力，在橫傾45°、縱傾30°工況下可以正常疏水，其疏水量高于自由浮球式疏水閥。圖4 所示為自由浮球式疏水閥的內部結構。

圖3 自由浮球式疏水閥阻汽疏水試驗圖Fig.3 Photos of free float trap experiment

圖4 自由浮球式疏水閥內部結構Fig.4 Photos of free float trap inner structure

隨后，將飽和水壓力調至0.7 MPa，進行背壓影響試驗。結果表明，在背壓率為90%的情況下，仍能正常疏水，輸水量約1 t/h。由于浮球式疏水閥受外部慣性力的影響較大，因此針對浮球式疏水閥進行了橫傾、縱傾試驗。結果表明，自由浮球式疏水閥在搖擺狀態時其疏水量出現了波動，而杠桿浮球式疏水閥則具備較好的抗傾斜能力，在橫傾45°、縱傾30°工況下仍能正常連續疏水，如圖5 所示。由試驗結果可知，在傾斜狀態下，自由浮球式疏水閥的疏水量較杠桿式的低20%。

圖5 杠桿浮球式疏水閥在傾斜狀態下的疏水試驗Fig.5 Photos of the lever ball float trap experiment under sloping condition

圓盤式疏水閥由于其工作壓力范圍較大，在低壓工況下選取為1.0 MPa，背壓選取為0.6 MPa。試驗結果表明，在背壓為0.6 MPa 時，該疏水閥的疏水阻汽性能良好，疏水量約為0.4 t/h。

各類疏水閥的試驗結果如表2 所示。

表2 疏水閥試驗結果匯總Tab.2 Experiment results of each steam trap

2.2 高壓試驗

高壓試驗按照4.0 和5.0 MPa 這2 個壓力等級進行，試驗疏水閥為圓盤式和倒吊桶式。對于熱靜力型疏水閥，前面已分析過不適合進行中、高壓試驗；而對于機械型疏水閥中的浮球式，其最高工作壓力為1.4 MPa，若壓力過高，其疏水動作會遲緩，并且還存在著密封性問題。根據現場情況并結合疏水閥的使用壓力范圍，對倒吊桶式疏水閥進行了2.0～4.0 MPa 的疏水試驗，對圓盤式疏水閥進行了5.0 和1.0 MPa 的試驗，并在1.0 MPa 時進行了背壓影響和疏水量測量試驗。試驗結果表明，倒吊桶式疏水閥的疏水阻汽功能正常，如圖6所示。

圖6 倒吊桶式疏水閥阻汽疏水試驗Fig.6 Photos of floating row bucket trap experiment

對于圓盤式疏水閥，其工作壓力在試驗疏水閥中范圍最大，因此，首先進行高壓性能試驗，選取鍋爐壓力6.0 MPa，并調整供氣閥門，將儲氣筒及儲水罐的壓力控制在5.0～5.5 MPa。在5.0 MPa時，圓盤式疏水閥的疏水阻汽功能良好，如圖7 所示。在工作過程中，由于圓盤疏水閥的內部盤面上下移動，會與周圍金屬發生碰撞，因此在動作時會發出金屬撞擊的聲音，這也使得圓盤式疏水閥的使用壽命低于同材質的機械式疏水閥。

圖7 圓盤式疏水閥高壓疏水阻汽試驗Fig.7 Photos of disc trap experiment

2.3 各種疏水閥的適用范圍

疏水閥根據其動作原理、適用壓力范圍及疏水量等參數的不同，被應用于不同系統或設備的疏水。根據試驗結果，對試驗中疏水閥的應用范圍總結如下：

1）浮球式疏水閥。試驗用浮球式疏水閥的工作壓力范圍為0～1.4 MPa，具有疏水量大、反應快、無蒸汽泄露、無疏水過冷度要求以及背壓率高等特點，相比于自由浮球式疏水閥，杠桿浮球式疏水閥還具備抗傾斜、抗污染的性能。浮球式疏水閥可應用于蒸汽換熱器、蒸汽主管路等系統的疏水，是應用最廣泛的疏水閥。

2）倒吊桶式疏水閥。該疏水閥與浮球式疏水閥同屬機械式疏水閥。試驗用倒吊桶式疏水閥的工作壓力范圍為0～4.0 MPa，通過調整排放孔徑和外形尺寸，其還可以在更高的壓力下使用，具有疏水量大、背壓率高、無蒸汽泄露、抗水擊能力強等特點。倒吊桶式疏水閥可應用于壓力波動較大的管路疏水，也可以用于汽輪機、過熱蒸汽管路等系統的疏水。

3）雙金屬式、溫包式熱靜力型疏水閥。熱靜力型疏水閥的特點是疏水溫度恒定，在適當的凝水溫度下，疏水量大，相比于其他類型（機械型和熱動力型）的疏水閥，具有較高的過冷度要求（本試驗中為22 ℃）。并且對于雙金屬式疏水閥，需事先根據現場情況對金屬片進行調整，且在使用一段時間后，由于金屬的疲勞性，也需要進行調整。該疏水閥的背壓率低于機械型或熱動力型疏水閥。溫包式熱靜力型疏水閥的特點與雙金屬式相當，具有不怕凍、體積小、任意位置都可安裝的特點，能排不凝結氣體，同樣也有過冷度要求，一般在15～40 ℃。熱靜力型疏水閥適用于伴熱管、溫度恒定加熱器中的疏水，不適用于工作壓力和背壓會發生變化的管路或設備的疏水。

4）圓盤式疏水閥。圓盤式疏水閥屬于熱動力型疏水閥，其特點是工作壓力范圍廣、結構緊湊、簡單、重量輕、背壓率高（60%～80%），就其尺寸而言，排量也大。由于碟片是其中唯一的運動部件，故維護起來很方便，無需從管道上拆下疏水閥。圓盤式疏水閥在使用中有金屬撞擊的聲音，此外，在背壓較高時，還會有少量蒸汽泄露。基于上述特點，圓盤式疏水閥可用于過熱蒸汽管道和汽輪機的疏水。

3 基于實船的疏水系統設計

3.1 實船吹除、疏水系統需求

實船的疏水系統與各個蒸汽子系統密不可分，按照蒸汽凝水來源和壓力的不同，可以歸為以下5 類：

1）主、輔過熱蒸汽疏水。主、輔過熱蒸汽管路的蒸汽工作壓力范圍為0～5.5 MPa。主、輔過熱吹除、疏水管路用于主、輔過熱蒸汽管路在開啟、運行和停機時的疏水，以及閥組等管路附件的疏水及前、后橋管調汽時管路的疏水。輔過熱疏水包括渦輪增壓機組吹洗和主鍋爐停汽閥等閥門的疏水。一般當蒸汽壓力達到0.4～0.8 MPa 時，開始暖管、暖機疏水。凝水流至污冷凝水柜或除氧器。

2）微過熱蒸汽疏水。微過熱蒸汽管路的工作壓力范圍為0～2.45 MPa。微過熱吹除、疏水系統用于微過熱蒸汽輸送管路的吹洗和疏水，以及汽輪滑油泵、汽輪燃油泵、減溫減壓裝置和微過熱調配裝置等裝置的疏水。凝水流至污冷凝水柜或除氧器。

3）低壓蒸汽管道疏水。低壓蒸汽管路的工作范圍為0～1.0 MPa。低壓蒸汽吹除、疏水系統用于低壓蒸汽輸送管路、汽輪滑油泵、燃油泵和汽輪給水機組汽缸的疏水。凝水流至艙底或污冷凝水柜。

4）油艙等加熱器管路疏水。油艙加熱和滑油加熱的工作蒸汽為低壓蒸汽，工作壓力范圍為0～1.0 MPa，但是在加熱器開始工作后，要求進行連續疏水，因此，此系統的疏水必須采用疏水閥，故與低壓吹除系統有所區分。該疏水系統用于各個滑油艙、燃油艙、燃油預熱器及滑油預熱器等換熱設備的凝水回收。凝水流至蒸汽膨脹箱或污冷凝水柜。

5）廢汽管路疏水。廢汽管路的工作蒸汽壓力范圍為0～0.1 MPa。

根據以上實船疏水系統的工作需求，以及實船使用情況可以看出，應用于實船的疏水閥與一般工業用疏水閥有所不同，主要體現在以下幾個方面：

1）實船用疏水閥要有一定的抗背壓性能。無論是過熱蒸汽、微過熱蒸汽還是低壓蒸汽，其疏水系統均應采用總管設計原則，即各個疏水點的凝水管路連接至一根總管上，并最終排入除氧器、污冷凝水柜或艙底。不同的疏水管其位置、高度、長度和彎頭數量均不同，這就使得各個疏水閥排水管路的阻力不同，且在排至除氧器、污冷凝水柜或艙底時，排水背壓也均不同，對排放至蒸汽膨脹箱的低壓蒸汽疏水管路，背壓同樣在一定的范圍內波動。因此，對于應用于實船系統的疏水閥，疏水時需克服管路阻力和容器背壓，才能達到各個工況均能正常疏水的目的。

2）實船用疏水閥要具備一定的抗傾斜、抗搖擺和抗污染能力。

3）實船用疏水閥應動作靈敏且不應有過冷度要求。實船空間有限，而疏水管路一般是在主管路鋪設、布置完成后再與管路的最低點（疏水點）連接放樣，且具有過冷度要求的疏水閥又一般均需布置1～3 m 長的疏水管路［10］。另一方面，蒸汽動力系統管路均有熱絕緣包覆要求，而為了使飽和水被正常疏出，在有過冷度需求的疏水閥前端管路一般不包覆絕緣，這一點與實船熱絕緣施工要求是矛盾的。無論是管路吹除還是換熱器長時間疏水，均不允許出現凝水長時間聚集不流動或流動延遲的現象，因此，應用于實船中的疏水閥應盡量做到“有水即疏、無水即關”，這一點在換熱器中尤為重要，若在飽和換熱器中不能做到及時疏水，則會使換熱效率下降，增大換熱時間，甚至無法達到預定的加熱溫度。

3.2 與系統需求匹配的疏水閥型式選擇

根據對實船疏水系統的分析，以及對各類疏水閥使用特點的歸納，可以總結出匹配于實船各個疏水系統的疏水閥類型。

1）對于主、輔過熱蒸汽管路和主汽輪機等的疏水，可選用圓盤式熱動力型疏水閥。其原因是圓盤式疏水閥動作靈敏、工作壓力范圍大（0～10 MPa）、抗背壓性能強，在以往的船舶中應用效果良好。

2）對于微過熱蒸汽管路的吹除，可選用倒吊桶式和圓盤式疏水閥。兩種疏水閥的壓力范圍涵蓋系統設計壓力，且倒吊桶式、圓盤式疏水閥的疏水量和背壓率高，在疏水量要求較大、空間富裕的疏水點，推薦使用倒吊桶式疏水閥。

3）對于低壓吹除和廢汽管路吹除，可選用浮球式和圓盤式疏水閥；對于低壓蒸汽換熱器，可選用自由浮球式和杠桿浮球式疏水閥，但推薦選用杠桿浮球式疏水閥，因和自由浮球式疏水閥相比，其動作靈敏性和抗污染性能更優，且連續疏水能力強，無過冷度要求，具有較高的抗傾斜能力。

4）由于實船的疏水系統在不同工況下其背壓不同，且管路有熱絕緣包覆的要求，因此熱靜力型疏水閥不適用于實船疏水系統。

4 結 論

本文依照相關標準，對3 類典型疏水閥的疏水工作性能進行了試驗，進一步總結了實船疏水系統的運行特點和疏水閥的基本要求，并結合試驗數據對實船疏水閥進行了選型歸類，得到以下主要結論：

1）熱靜力型疏水閥不適用于蒸汽動力船舶，尤其不適用于具有供汽和疏水總管的動力系統。

2）杠桿浮球式疏水閥的抗傾斜能力要優于自由浮球式疏水閥。

3）圓盤式疏水閥可以用于過熱蒸汽管路的疏水；倒吊桶式、圓盤式疏水閥均可用于本文分析的動力系統，不過在空間富裕、疏水量較大的管路中，推薦使用倒吊桶式疏水閥。

［1］葉濤，馮慧雯，陳愛萍，等. 熱力發電廠［M］. 4 版.北京：中國電力出版社，2012.

［2］黃樹紅. 汽輪機原理［M］. 北京：中國電力出版社，2006.

［3］白瑛華，賈紅軍，王國香，等.蒸氣凝結水回收系統中常見問題的解決與探討［J］. 化學工程師，2008（12）：54-57.BAI Yinghua，JIA Hongjun，WANG Guoxiang，et al.So?lution and discussion of problems in steam condensa?tion water recovery system［J］. Chemical Engineer，2008（12）：54-57.

［4］王萬惠，張淑俠.飽和蒸汽疏水量的研究及應用［J］.應用能源技術，2011（7）：35-36.WANG Wanhui，ZHANG Shuxia. Research and appli?cation procedures of the saturated steam drain quantity［J］.Applied Energy Technology，2011（7）：35-36.

［5］趙亮，王東林，韋華，等.國內蒸汽疏水閥使用現狀及其管探討［J］.石油化工設備，2010，39（2）：48-50.

［6］李樹勛，徐登偉，把橋環.飽和蒸汽壓式波紋管疏水閥熱動元件實驗研究［J］. 深圳大學學報理工版，2011，28（6）：548-552.LI Shuxun，XU Dengwei，BA Qiaohuan. Experimental study on the saturated vapor pressure type thermostatic bellows for steam traps［J］.Journal of Shenzhen Univer?sity Science and Engineering，2011，28（6）：548-552.

［7］李樹勛，徐登偉，李確，等.倒吊桶先導式蒸汽疏水閥的設計與數值模擬［J］.排灌機械學報，2012，30（3）：346-350.LI Shuxun，XU Dengwei，LI Que，et al. Design and nu?merical simulation of inverted bucket pilot-operated steam traps［J］. Journl of Drainage and Irrigation Ma?chinery，2012，30（3）：346-350.

［8］趙子琴. 高溫高壓先導式過熱蒸汽疏水閥消聲減振分析研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2011.

［9］中國機械工業聯合會.GB/T 12251-2005 蒸汽疏水閥試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［10］陸培文.實用閥門設計手冊［M］.3 版.北京：機械工業出版社，2012.