大型船舶低壓蒸汽管網故障分析

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

目前主流民用類船舶設計中，船用供暖方案主要采用熱水管網為全船供熱，這種方案的優點：①安全，常壓下熱水溫度不超過100 ℃，即使在熱水泄漏的情況下也不會威脅到人員生命；②工況簡單，流動介質維持為液態單相流體。針對單相流，其流體特性更容易分析，即管路中干管、支管中的壓力、流量、流速分布更容易計算得出；③管網故障率小，相對于雙相流，單相流動更為簡單，該情況下管路、閥件故障率更小。但是其缺點是管網體積過于龐大。蒸汽管網不存在這樣的問題，由于利用了水的汽化潛熱，船用蒸汽管網規模、占用空間更小。缺點安全性更低，在蒸汽管網發生泄漏的情況下，有可能對人員造成傷害；蒸汽管網中的流動介質存在著汽液兩相流的狀態，該狀態下的流動特性更為復雜，管路閥件故障率高，并且排查故障也更為困難[1]。針對大型船舶中低壓(0.3～0.4 MPa)蒸汽管網(以下簡稱蒸汽管網)在使用過程中出現的故障，進行原理分析并提出解決途徑。

1 蒸汽管網運行存在的主要問題

1)蒸汽系統水力工況不穩定、水錘現象明顯。由于蒸汽管網的用戶對蒸汽使用量、使用時間段、使用頻率差異大，目前蒸汽管網中水力工況經常出現不穩定的情況。與陸用建筑供暖管網比較平直的情況不同，船上空間有限，蒸汽管路經常隨著船舶結構或者設備彎曲，會有大量的彎頭、U形彎等情況，造成流通阻力大，管路低點有凝水積存[2]。為用戶間歇供汽時，水錘現象明顯，管路存在振動情況，產生較大的噪聲，嚴重影響管路和閥門的使用壽命，存在一定的安全隱患。

2)凝水管網回收暢通性差。當蒸汽管網中汽水分離器、疏水分離器等汽水分離設備效果變差或者失效時，會導致蒸汽管及凝水管內存在大量汽液兩相流的情況。當蒸汽管路或用汽設備的疏水閥存在蒸汽泄漏時，會導致管內蒸汽量較大，凝水管路背壓升高，凝水無法正常回收，引起局部凝水管網癱瘓。凝水管路中再次汽化的現象也容易導致凝水不暢。

3)蒸汽系統缺少相應的管路施工及工藝要求。大型船舶空間有限，蒸汽管網管路走向復雜，管路施工的坡度、取汽點和疏水點的設置、補償器的設置等，都會直接影響系統水力工況的穩定性。目前建筑領域有明確的疏水點、管路坡度要求，船上蒸汽管網由于存在大量的彎曲，施工條件無法與陸用建筑領域相同，亟須有適用于船舶類的施工工藝指導。

2 故障發生的原因

蒸汽管路伴隨著冷凝水，同時冷凝水中存在蒸汽二次閃蒸的情況，這是故障發生的主要原因。蒸汽提升管路會產生水錘現象。文獻[3]中認為當蒸汽管路閥門關閉時，殘余的蒸汽會形成凝水積存在管路中。當下次開啟蒸汽閥門時，蒸汽會推動凝水進入提升管。當大部分凝水通過后，水流與管路之間會形成間隙，蒸汽沖過間隙并失去了對凝水的上推力，導致凝水下落撞擊管路，形成水錘。文獻[4]指出，在長距離疏水管道中經常存在局部突起的情況，某些管道的壓力容易降低至水的汽化壓力，從而形成氣泡空穴，使前后水柱斷裂形成“水柱分離”。當壓力升高時，被分離的水柱由于汽泡空穴的潰滅產生撞擊，產生的壓力驟然上升形成很高的水錘壓力，導致管道破壞。考慮到船上凝水管網中的凝水仍然有較高的溫度(最高可達90 ℃)，在管路壓力低處更容易產生二次汽化的現場，從而產生水錘[5-6]。針對疏水閥經常泄汽或失效等問題，文獻[7]認為，疏水閥失效除了設備本身的原因，更主要的是系統設計和選擇方面存在問題。文獻[8]認為，疏水閥選型時，應根據疏水閥前壓力、疏水閥后壓力、疏水量、蒸汽性質、管道輸水還是設備疏水、是否允許存在冷凝水積存來判斷。同時，疏水閥的安裝也影響到疏水效果[9]。疏水閥的選用要考慮其所處的工作環境和使用條件[10-11]。

3 解決蒸汽管網故障辦法

針對船用蒸汽管網中存在的問題，提出以下解決方案。

1)合理設施疏水點。在蒸汽管道的最低點、上升管道底部、蒸汽管路的尾端、間歇運行的大用戶進汽管最低點等設置疏水點。

2)設置一定的管路坡度。考慮到船上結構眾多，應盡可能在蒸汽管長直水平段設置坡度，當汽、水逆向流動時，坡度應大于0.005，其他應大于0.003。

3)在蒸汽干管上設置集水槽。防止主管道上的凝結水直接被蒸汽帶走，只有少量凝結水進入疏水管。

4)蒸汽管網系統開始運行時，應緩慢開啟閥門，防止殘存的冷凝水被高速蒸汽帶走，無法進入疏水管。

5)合理選用疏水閥。針對大排量凝結水情況，建議采用杠桿浮球式疏水閥(機械型)；對于提升管、閥門附近等可能產生水錘的地方建議采用倒置桶型疏水閥(機械型)；考慮到船上空間有限，對于凝水量較小的管路可以建議熱動力性疏水閥。

4 減少蒸汽管路中凝水積存方法的計算論證

由于船上蒸汽管路走向復雜，間歇性用戶較多，考慮到船上的空間有限及成本控制，不易在每段管路低點、間歇性用戶供氣管路上都設置疏水閥，建議用戶在不使用蒸汽時，在主蒸汽管路中仍然維持一定量的過熱蒸汽，以維持蒸汽管路有足夠的溫度，避免蒸汽冷凝為凝結水，殘存的冷凝水被流動的蒸汽及時帶走。當進口過熱蒸汽經過管路冷卻后，蒸汽出口點恰好為飽和蒸汽點時，可認為該蒸汽量即為管路不產生凝水的最小蒸汽量。

單位管段蒸汽散熱示意見圖1。

圖1 蒸汽管段散熱示意

計算單位長度蒸汽管段的熱損失。單位長度蒸汽管道總的傳熱系數與以下因素有關：蒸汽和管壁的對流換熱系數、鋼管管壁的導熱系數、保溫層(玻璃棉)的導熱系數、外層材料(福勒斯)的導熱系數、空氣與管道的對流換熱系數。單位長度蒸汽管道的總傳熱熱阻為[12]

式中：h1為蒸汽與鋼管內壁的對流換熱系數，W/(m2·K)；d1為鋼管內壁直徑，m；d2為鋼管外壁直徑，m；d3為玻璃棉外壁直徑，m；d4為福勒斯外壁直徑，m；λ2為鋼管導熱系數，W/(m·K)；λ3為玻璃棉導熱系數，W/(m·K)；λ4為福勒斯導熱系數，W/(m·K)；h0為空氣與管道間的對流換熱系數，W/(m2·K)。

h1可根據公式計算得到

對于h0，認為蒸汽管路外空氣的流動情況為圓柱體與常溫空氣自然對流工況，則

式中：Nu為努塞爾數；λ為空氣的導熱系數, W/(m·K)。

為簡化模型，認為蒸汽管段從過熱狀態到出口狀態為定壓過程，則散熱量即為焓差。

Δh=hin-hout

式中：hin為過熱蒸汽進入管段時的焓值，kJ/kg；hout為蒸汽出管段時的比焓值，kJ/kg；Δh為定壓蒸汽進出口比焓差，kJ/kg

單位長度蒸汽管路散熱量

式中：m為蒸汽流量，kg/h；?為單位蒸汽管段熱流量，W/m；tf為蒸汽定性溫度，K；t0為空氣溫度，K。

從而可以得到蒸汽流量：

選取0.4 MPa表壓(飽和蒸汽溫度152 ℃)下不同溫度的過熱蒸汽、不同管徑條件下所需的最小流量，計算結果見表1。

表1 單位長度蒸汽管段冷凝所需最小流量 kg/(h·m)

由表1可見，如要維持蒸汽管內不產生凝結水，160 ℃微過熱的蒸汽所需要的流量較大，為了不浪費蒸汽，提高一定的過熱蒸汽溫度能有效地減少蒸汽量。考慮到蒸汽經過管路最終進入鍋爐內，蒸汽管路的沿程散熱損失即可認為是總的熱能損失，由于蒸汽未被完全冷卻為冷凝水，即汽化潛熱未損失，所以維持間歇用戶管路蒸汽的方案不會顯著降低蒸汽管網的綜合能量利用率。提高船用鍋爐蒸汽出口溫度會造成蒸汽經過用戶換熱后，可能存在沒有被完全冷凝的情況，需要根據蒸汽耗量、蒸汽沿程長度綜合考慮鍋爐出口溫度。

5 結論

對于目前大型船舶里的復雜蒸汽管網，通過合理設置疏水點、正確選用疏水閥，并保證一定的管路坡度來減少水錘、凝水不暢、疏水閥泄漏等問題。通過計算認為，對于間歇性用戶，可以通過將進口飽和蒸汽提高為過熱蒸汽的方法來減少管路中出現的凝水積存現象，減少蒸汽系統中疏水閥的配置。對于蒸汽進口溫度提高值，需要綜合用戶蒸汽用量及管路沿程長度綜合考慮。