新型冷凝水疏水閥原理及應用

靳海斌，鐘天煒

（湖南華菱湘潭鋼鐵集團有限公司，湖南湘潭 411100）

1 傳統管道冷凝水疏水閥

1.1 熱動力圓盤式疏水閥

它是根據利用蒸汽和冷凝水的不同熱力學特性，使疏水閥內部的閥片根據壓差實現閥片的開關，從而達到排水阻氣的功能。其結構見圖1。

圖1 熱動力圓盤式疏水閥內部圖

疏水閥的閥片，不僅是起到熱傳感作用，同時又起到排水開關的作用。當管道內出現冷凝水時，管道內工作壓力上升，閥片迅速打開，從而將冷凝水排出管道。當冷凝水排放后，蒸汽進入閥內，其體積迅速膨脹，由于流速比冷凝水快，使閥片上下產生壓差，在蒸汽流速的帶動下迅速關閉。當閥片關閉后，閥片受到雙側擠壓，因閥內的壓力等于蒸汽壓力，所以閥片上面受力大于下面，從而實現可靠關閉。

該疏水閥由于是熱傳感元件動作，只適用于蒸汽管道，不適用壓縮空氣管道排水。

1.2 傳統浮球式疏水器

此種疏水閥內部結構相對比較簡單，見圖2，只有一個可以活動的不銹鋼空心浮球，不僅是浮子又是閥板。

圖2 傳統式浮球疏水閥結構圖

根據阿基米德原理，不銹鋼浮球根據內部積存的液體實現升降，從而起到排水和阻氣的作用。首先要先將疏水閥內的余氣排出，利用疏水閥頂部的放氣閥打開放氣，此時內部的不銹鋼浮球則根據重力落至底部，實現疏水閥關閉。將放氣閥關閉，隨著流入閥內的冷凝水增加，浮球的浮力大于自身重力及閥口作用力，此時球體浮起，慢慢打開閥口，冷凝水快速排出。隨著冷凝水排出后，液面下降，浮球根據閥口泄壓的情況，自動漂浮至閥口位置，直至到封閉閥口，此時浮球落至底部從而排水關閉。因浮球底部支點與閥口有一定空間，故形成一個水封，保證蒸汽或壓縮空氣無法泄漏。

傳統浮球式蒸汽、壓縮空氣疏水閥由于沒有設計定位和導向機構，密封鋼球和壓盤的每一次落點都具有隨意性，密封鋼球或密封壓盤不能精準重復地落在同一位置。因此，當疏水閥運行一段時間以后，浮球和壓盤與排水口嘴都會產生不同程度的磨損和變形，排水口嘴的軸線沒有通過浮球中心，排水口嘴與浮球不是全向接觸。故一般此類浮球閥的使用壽命較短。

自由浮球式疏水閥沒有力的放大機構，且排水口嘴與球的重力方向存在一個夾角，如圖3所示，實際獲得的密封力小于球體重量。因此，自由浮球式疏水閥無法在高壓蒸汽或大流量的蒸汽和壓縮空氣管道上使用。

圖3 傳統浮球疏水閥關閉的簡圖

自由浮球式疏水閥雖然設有過濾網，但是閥體容積太小，沒有足夠的空間儲存水垢和細微鐵銹顆粒，排水口嘴極易受水垢和細微鐵銹顆粒的影響而失效。

2 新型浮球式疏水閥

在大多數情況下，蒸汽管道排水閥與壓縮空氣排水閥是不能共用的。但是，蒸汽、壓縮空氣的冷凝水在物理和化學性質上具有許多似的地方，它們都比較干凈，一般情況下不具有腐蝕性，對制作疏水閥的零部件材料的抗腐蝕性要求都不高。常規的蒸汽冷凝水的溫度一般≤300 ℃，壓力≤2 MPa，高于這個溫度和壓力屬于過熱蒸汽，過熱蒸汽的冷凝水一般都會作為余熱利用。壓縮空氣的冷凝水的溫度≤80 ℃，壓力≤0.8 MPa。因此，雖然蒸汽和壓縮空氣在溫度和壓力上存在差異，但這點差異對于鋼材的物理和化學性能影響不大。

2.1 外形結構及工作原理

新型疏水閥為二力桿平移式蒸汽、壓縮空氣疏水閥。由浮球、二力桿、鉸鏈、排水口的導向桿、導向套、密封鋼球、密封圈等組成一套運動和密封系統，見圖4。

圖4 新型疏水閥器剖面圖

浮球的浮力是密封口開啟的原動力，浮球的重量是密封口關閉的原動力。二力桿具有傳遞浮球運動和放大浮球重量作用，有了二力桿的放大作用，浮球就不需要做得很大，也不需要做得很重。浮球重力的放大倍數取決于二力桿力的方向與水平坐標的夾角，見圖5。

圖5 二力桿結構力學簡圖

根據平面匯交力系計算：

式中：P ——浮筒的重量；

P1——固定鉸鏈支座水平分力；

P2——活動鉸鏈支座水平分力；

α ——支座分力與x軸的夾角。

2.2 密封及排水設計

新型疏水閥的機構見圖6。在疏水閥閥體內無冷凝水的情況下，由于浮球重量P的向下作用，二力桿的夾角β 和跨度L 呈增大趨勢，這個增大的趨勢使得密封鋼球緊緊貼住排水口，這個貼緊的力P2=，當α 的值足夠小時，P1=P2足夠大。鋼球運動靈活，密封可靠。

圖6 新型疏水閥二力桿機構

在二力桿平移式蒸汽、壓縮空氣疏水閥閥體內的冷凝水逐漸增多，浮球的排水量等于其重量時，密封鋼球處于開與關的臨界狀態，大于這個狀態以后浮球上升力P 增大，二力桿的夾角β 和跨度L 減小，密封鋼球在的力的作用下逐漸離開排水口，冷凝水越多，浮球的位置就越高，二力桿的夾角β 和跨度L 越小，密封鋼球逐漸離開排水口越遠，排水的流量也就越大。

2.3 疏水閥密封鋼球精準定位設計

疏水閥的使用壽命取決于零部件的材料性能、設計結構的合理性、加工制作的精度等。在其它條件相同的情況下，密封鋼球與排水口的精準定位是提高密封可靠性和延長使用壽命最關鍵的技術內容。傳統的浮球式蒸汽管道疏水閥（無論自由浮球式還是杠桿浮球式），密封鋼球的運動導向和鋼球與排水口的精準定位的設計上都不完美，所以產品使用壽命都不長。二力桿平移式蒸汽、壓縮空氣疏水閥在上述方面做了改進。

圖7 是空氣疏水閥的開、關位置密封結構圖。無論密封鋼球在什么位置，它的軸線與排水口嘴的軸線都是重合的，任何時候都能重復精準對位。因此，密封可靠，使用壽命大大延長。由于密封鋼球始終與三根均勻分布的軸向導軌線接觸，不會被水垢等雜質所卡阻，動作靈活。

圖7 新型疏水閥密封結構圖

綜上所述，浮球隨著疏水閥容室的液位變化做自由上升和下降運動，無需導向，它僅僅是開、關疏水閥的動力源，通過二力桿帶動密封鋼球作水平往復運動。為了確保密封鋼球與密封口精準定位，把排水口設計成帶有導軌的定位套，定位套同時也是冷凝水的過水通道。密封鋼球在定位套內作受控水平運動，每次運動的終點都能確保密封鋼球的中心與排水口的軸線上重合，即便鋼球有磨損也是均勻磨損，大大提升了密封可靠性，延長了疏水閥的使用壽命。

3 應用及效益

根據目前實際運行情況來看， 聯合空壓站壓縮空氣損耗在4%左右，改造以后，壓縮空氣損耗可降低到2%。目前壓縮空氣月輸送總量為5×107m3，則全年可節約壓縮空氣：

目前輸送單位壓縮空氣耗電為0.1475 kWh/m3，則全年可節降動力電：

全年可節降生產運行費用：

4 結論

新型疏水閥已應用于湘鋼的蒸汽管道、空壓機冷卻器疏水、冷干機疏水及風包疏水，不僅降低了人員定期排水的勞動強度，減少了能源浪費，同時有效地降低了空壓機廠房的噪聲，實現了氣體零泄漏疏水，效果顯著。