不同工况下蒸汽疏水器排水量计算与选型

摘 要

摘要:介绍了蒸汽疏水器的分类和比较,总结了选型原则。分析计算了不同工况下蒸汽疏水器的理论排水量,考虑选择倍率和背压率,计算得到实际排水量,以此进行疏水器的初选。对初选疏水

摘要:介绍了蒸汽疏水器的分类和比较,总结了选型原则。分析计算了不同工况下蒸汽疏水器的理论排水量,考虑选择倍率和背压率,计算得到实际排水量,以此进行疏水器的初选。对初选疏水器的疏水能力进行校核,确定疏水器型号。
关键词:蒸汽疏水器;选择倍率;背压率;排水量;选型
Calculation and Type Selection of Water Displacement of Steam Trap under Different Conditions
AN Qiang
AbstractThe 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 wordssteam 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为3种类型:机械型、热静力型、热动力型[1~2]。3种类型疏水器的比较见表1[3],设疏水器前的压力为p1
表1 3种类型疏水器的比较
项目
机械型
热静力型
热动力型
排水
饱和水
过冷水
过冷水
过冷度/℃
0
10~30
6~8
漏汽率/%
2~3
1
2~3
允许背压
0.8p1
0.5p1
0,25p1~0.50p1
结构大小
较小
较小
安装方向
水平
水平、竖直
水平、竖直
动作性能
可靠,动作间隔时间短
较可靠,动作间隔时间长
较可靠,动作间隔时间长
使用寿命
较短
较短
    选择疏水器时,不能单纯根据最大排水量进行选择,也绝不允许只根据管径来套用疏水器。必须根据疏水器的选择原则并结合疏水器的设置位置来选用[3]
    对于中低压蒸汽输送管道,管道中途、末端和最低点处产生的凝结水必须迅速并完全排除,否则易造成水击。蒸汽含水率提高,将使蒸汽温度降低,满足不了用汽设备的工艺要求。因此,中低压蒸汽输送管道宜选用机械型疏水器(自由浮球式、倒吊桶式)。
    对于要求加热速度快、加热温度控制严格的加热设备,不能积存凝结水,只要有凝结水就需立即排出,故宜选择能排出饱和水的机械型疏水器。
    对于有较大的受热面,对加热速度、加热温度控制要求不严格的加热设备(如蒸汽采暖管道和蒸汽伴热管道)允许积水,故宜选用热静力型疏水器。
    对于间歇工作的室内蒸汽加热设备和管道,宜选用倒吊桶式疏水器。
2 不同工况下排水量的计算
    疏水器在各种压差下的排水量,是选择疏水器的一个重要因素。如果选用的疏水器排水量太小,则不能及时排出疏水器中的全部凝结水,凝结水受阻倒流,最终造成堵塞,使设备加热效率显著降低,并产生严重的水击或水锤现象。反之,选用排水量太大的疏水器,将导致阀门关闭件过早磨损和失效,且随着阀体的增大,制造成本也将增加。因此,对设备或管道内产生的凝结水量,必须准确地测定或计算,为正确选用疏水器提供条件。
2.1 不同工况下疏水器理论排水量的计算
2.1.1蒸汽输送管道中疏水器理论排水量的计算
    蒸汽输送过程中会有部分蒸汽由于散热而凝结成水,如果凝结水不能正常排出,就会冲击沿线的阀门、仪表、弯头,造成水击。而且过高的含水率使蒸汽温度降低,影响换热器的换热效果。因此,在蒸汽输送管道的中途、末端、最低点以及管道抬高的位置必须设置疏水器。考虑启动和正常运行时的排水量不同,应设置启动疏水器和经常疏水器。
   ① 启动疏水器
在预热阶段,冷凝率最高,冷凝率将决定管道上启动疏水器的大小。启动疏水器理论排水量的计算公式为:
 
式中q1——启动疏水器的理论排水量,kg/s
    m1——每个启动疏水器作用范围内的管道质量,kg
    c1——管道的比热容,J/(kg·K)
    △t1——管道的升温速度,℃/s
    m2——每个启动疏水器作用范围内管道保温材料的质量,kg
    c2——保温材料的比热容,J/(kg·K)
    △t2——保温材料的升温速度,℃/s
    h1——工作条件下过热蒸汽或饱和蒸汽的比焓,J/kg
    h2——工作条件下饱和水的比焓,J/kg
   ② 经常疏水器
蒸汽输送过程中,单位长度管道的热损失可根据圆筒体的导热微分方程[4]计算得到。忽略蒸汽和管壁的热阻,可得下式:
 
式中Φ——单位长度管道的热损失,W/m
    t1——饱和蒸汽温度,℃
    t2——保温层外侧温度,℃
    λ——保温材料的热导率,W/(m·K)
    d2——管道保温层的外直径,mm
d1——管道外直径,mm
 
式中q2——经常疏水器的理论排水量,kg/s
    l——每个经常疏水器作用范围内管道的长度,m
2.1.2蒸汽伴热管道中疏水器理论排水量的计算
    输送粘性液体等介质的管道,常常利用蒸汽伴热管道使其维持较高温度。蒸汽伴热管道通常由一根或多根安装在介质管道周围的小直径蒸汽管道组成。
    伴热蒸汽消耗量的计算很复杂,因为它取决于两种管道的接触情况、导热胶的使用情况、输送介质的温度以及蒸汽伴热管道沿线的温度和压力等因素。一般认为疏水器的排水量等于伴热蒸汽管道的蒸汽消耗量。环境温度大于-20℃时伴热蒸汽管道的最大蒸汽消耗量见表2。
表2 伴热蒸汽管道的最大蒸汽消耗量
介质需保持的温度/℃
项目
介质管道的公称直径/mm
40~50
80~100
150~200
250~350
450~500
<60
蒸汽伴热管道数量/根
1
1
1
1
2
蒸汽伴热管道的公称直径/mm
15
15
20
25
20
疏水器的最大间距/m
100
100
120
150
120
单位长度蒸汽伴热管道的蒸汽小时消耗量/(kg·m-1·h-1)
0.20
0.20
0.25
0.35
0.50
61~100
蒸汽伴热管道数量/根
1
1
2
2
2
蒸汽伴热管道的公称直径/mm
20
25
20
20
25
疏水器的最大间距/m
120
150
120
120
150
单位长度蒸汽伴热管道的蒸汽小时消耗量/(kg·m-1·h-1)
0.25
0.35
0.50
0.50
0.70
2.1.3蒸汽加热设备中疏水器理论排水量的计算
   对于蒸汽加热设备,在满足工艺要求的条件下,凡凝结水有可能被回收的,应尽量采用蒸汽间接加热方式,以提高凝结水的回收质量,回收率一般不得小于60%。
蒸汽凝结水量等于设备的蒸汽消耗量。蒸汽加热设备运行时的排水量计算公式[5]为:
 
式中q3——疏水器的理论排水量,kg/h
    cp——被加热介质的比定压热容,J/(kg·K)
    ρ——被加热介质的密度,kg/m3
    qv——被加热介质的体积流量,m3/h
    △t3——被加热介质的温升,℃
2.2 蒸汽疏水器设计排水量的计算
   设计排水量需要在理论排水量基础上考虑选择倍率,设计排水量的计算公式为:
    qd=Kq    (5)
式中qd——疏水器的设计排水量,kg/h
    K一疏水器的选择倍率
    q——疏水器的理论排水量,kg/h
   确定选择倍率时应考虑以下因素:
   ① 安全因素,即要考虑换热系统的可调节性。系统的理论计算与实际运行工况总会存在差异,且运行工况也不可能一成不变。如果提高换热设备的出力,则凝结水量会相应增加,因此疏水器的设计排水能力也要相应提高。
   ② 使用因素。换热设备在低压力、大荷载情况下启动,或需要迅速加热用汽设备时,系统的凝结水量将远大于设备正常运行时的凝结水量,因此要求疏水器的设计排水能力相应提高。
   不同使用要求下蒸汽疏水器的选择倍率见文献[3]。
2.3 蒸汽疏水器实际排水量的计算
    背压率是指疏水器在工作压力下能正常工作,连续排出凝结水时,疏水器阀后压力与阀前压力的比值。
    凝结水经过疏水器时被绝热节流,产生二次蒸汽,二次蒸汽通过阀孔时要占据很大一部分阀孔面积,因此排水量比排出过冷凝结水时减少很多,故需要考虑背压导致疏水器排水量的下降率,则实际排水量的计算公式为:
    qf=qd/(1-η)    (6)
式中qf——疏水器的实际排水量,kg/h
    η——背压导致疏水器排水量的下降率,需根据疏水器的进口压力和背压率确定
2.4 蒸汽疏水器排水量的校核计算
根据实际排水量对疏水器进行初选。疏水器样本给出的排水量等性能参数,多数是以过冷凝结水为流动介质得到的,当产生二次蒸汽时,必须对疏水器的排水能力进行校核。疏水器排水能力的校核按下式[6]进行:
 
式中qc——疏水器的校核排水量,kg/h
   Ap——疏水器的排水系数
    d——疏水器的排水阀孔直径,mm
    △p——疏水器前后的压差,kPa
    若qc比qf稍大或近似相等,则疏水器选型合理;若两者相差较大,则需重新选择疏水器,并重新进行校核,直至qc比qf稍大或近似相等为止。
3 应用实例
    一台汽水换热器机组,凝结水出口管径为DN 25mm,将4.05m3/h的水从10℃加热至90℃。加热器的蒸汽压力为0.6MPa,此压力下蒸汽的汽化潜热为2085kJ/kg,疏水器的背压为0.15MPa。需要对疏水器进行选型。
    按照习惯的选型方法,将不经过计算,只按照加热器的出口管径选择DN 25mm的疏水器,进而选择DN 25mm的凝结水管。这种选型是错误的,忽略了压差等因素的影响。
    已知选择倍率K=2,背压导致疏水器排水量的下降率η=3%。根据式(4)~(6)可得疏水器的实际排水量qf=1340kg/h。根据样本选择CSa41H-16C-D型DN 40mm疏水器,其排水阀孔直径d=7mm。
查得Ap=15,根据式(7)计算得qc=1560kg/h,qc大于qf,说明所选择的疏水器合理。
参考文献:
[1] 庞俊香,孙维庆,徐书朋.汽-水热力站常见问题及突发事件的解决方法[J].煤气与热力,2008,28(7):A05-A07.
[2] 王金国,薛润林,张勇.疏水器在压缩空气排水中的应用[J].煤气与热力,2001,21(5):471-472.
[3] 陶建中,李权红.疏水器的正确选择及安装使用[J].甘肃科技,2008,24(20):88-90.
[4] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].3版.北京:高等教育出版社.1998:29-35.
[5] 机械工业第一设计研究院.05R407蒸汽凝结水回收及疏水装置的选用与安装[S].北京:中国建筑标准设计研究院,2005:25-31.
[6] 贺平,孙刚.供热工程[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,1993:100-101.
 
(本文作者:安强 中核第四研究设计工程有限公司 河北石家庄 050021)