防止失流的实用方法

13.8.1 防止失流的实用方法章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 13.8 防止失流的实用方法 949 防止失流的实用方法 13.8.2 章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 防止失流的实用方法 如果换热器失流不可避免，在设计系统时采用以下三种方法中的任一种，就可以避免失流所造成的潜 在危害。 1. 确保换热器内蒸汽空间的压力始终高于大气压力，保证冷凝水能够通过重力作用流向浮球式疏水阀并 由其排出。 2. 允许换热器内蒸汽空间的压力低于冷凝水系统背压，需要采用其它的方法排除冷凝水，例如采用泵 阀组合的型式。 3. 确保换热器内蒸汽压力稳定并高于冷凝水系统背压，这使得系统的温度控制必须放置在二次侧。 依次讨论以上三种方法： a) 通过安装破真空器排除冷凝水(如图13.8.1) 疏水阀后的背压不能高于大气压力，冷凝水必须直接向下排放到外界（直接排放不回收）或者排向开 式的冷凝水集水槽中，再由冷凝水泵回收利用冷凝水。 此时必须满足两项条件： 在换热器蒸汽入口控制阀后安装破真空器。 图13.8.1 利用破真空器产生的静压头来解决失流问题 控制阀 蒸汽入口 换热器 二次侧流体出口 二次侧流体入口 破真空器 浮球式疏水阀 必须依靠重力向大气环境排放 疏水阀顶部静压头 通常为0.5-1m 控制器 感应器 b) 采用辅助疏水阀的方式排除冷凝水 (如图13.8.2所示) 一个标准配置的浮球式疏水阀组用于排除和回收冷凝水，冷凝水可以通过此疏水阀排向有提升或者有 压力的冷凝水管道。同时并联安装一个辅助疏水阀，直接将冷凝水排向外界。 当换热器内的蒸汽压力高于冷凝水系统背压时，主疏水阀将会工作。当失流发生时，冷凝水无法通过 主疏水阀排放，聚集后通过辅助疏水阀排向外界，防止换热器发生积水。 1.确保换热器内蒸汽空间的压力始终不会低于大气压力，冷凝水能够通过重力作用流向浮球 式疏水阀并由疏水阀排出。 疏水阀必须安装在换热器出口以下一定的距离，确保在失流发生时，该距离产生的水头能够提供足够 的压力排放失流时的冷凝水量。通常这个距离是0.51m，如果换热器下的空间较小，高度不足时， 则需要安装大口径的疏水阀才能满足冷凝水的有效排放。 950 13.8.3 防止失流的实用方法章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 图13.8.2 辅助排放方式处理失流负荷 控制阀 蒸汽入口 换热器 二次侧流体出口 二次侧流体入口 控制器 主疏水阀通常比辅助 疏水阀低150mm 必须依靠重力向大气环境排放 疏水阀顶部可利 用的静压头通常 为0.5到1m 冷凝水排放管 辅助的浮球式 疏水阀 破真空器 最小150mm 除了在失流时会造成冷凝水直接排放能量损失之外，此种方法同样也需要换热器出口至疏水阀之间必 须有一定的距离。 由于失流时冷凝水直接排放，因此此法主要用于失流不经常发生的场合。可以用方案a中同样的方法， 通过失流时的冷凝水负荷确定辅助疏水阀安装在换热器出口下端的位置。主疏水阀的口径需要和辅助疏水阀 相同，并至少安装在辅助疏水阀管路取出口三通下端150mm处。 a) 机械泵和疏水阀组合(如图13.8.3所示) 随着负荷的变化，蒸汽空间内的压力也发生变化。高负荷时，蒸汽空间内的压力会高于背压，但低负 荷时，又会低于背压。 机械泵是压力驱动型的，需要另外接入一路辅助蒸汽提供动力，泵送失流时积聚的冷凝水。当蒸汽空 间的压力高于背压时，冷凝水会直接通过泵进入浮球疏水阀后排放。 2.换热器内在运行时允许蒸汽空间的压力低于冷凝水系统背压，但必须确保失流时，换热器 内的冷凝水能够通过机械泵疏水阀组合排除。 此种方法将一台机械泵和一台浮球式疏水阀结合在一起，比较适合于热负荷超过1.5MW的换热器（蒸 汽耗量高于2500kg/h）。 大型换热设备，如冷凝水排放管口径超过40mm的设备，采用此种方法相对更加经济和实用。 951 防止失流的实用方法 13.8.4 章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 b)自动疏水阀泵用于二次侧流量恒定的换热器(如图13.8.4所示) 换热器二次侧流体的流量不会改变，蒸汽空间内的压力随二次侧流体入口温度的变化而变化。高负荷 时，蒸汽空间内的压力高于背压，但负荷降低时，蒸汽空间内的压力又会低于背压。 该方法使用一台自动疏水阀泵用于排除冷凝水，自动疏水阀泵将机械泵、浮球式疏水阀以及止回阀的 功能集合在一个泵体内，结构非常紧凑。 图13.8.4 自动疏水阀泵解决失流问题之一 控制阀 蒸汽入口 板式 换热器 安全阀 二次侧 流体入口 减压阀 高温切断 汽水分离器 冷凝水出口 自动疏水阀泵 二次侧 流体出口 冷凝水出口 动力蒸汽 图13.8.3 泵和疏水阀组合解决失流问题 控制阀 蒸汽入口 换热器 二次侧流体 出口 二次侧流 体入口 控制器 集水罐 冷凝水排向有 背压的冷凝水 管道 浮球 - 热静力式疏水阀 排汽口 感应器 斯派克APT14自动疏水阀占用空间小，结构非常紧凑，可安装于大部分换热负荷低于1.5MW的换热 器。 斯派克APT14自动疏水阀泵特别适合于冷凝水排放管径小于25mm的换热设备，在某些情况下，也可以 适用于一些冷凝水排放管径为40mm的设备。 952 13.8.5 防止失流的实用方法章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 图13.8.5 自动疏水阀泵解决失流问题之二 控制阀 蒸汽入口 板式换热器 安全阀 减压阀 高温切断 汽水分离器 冷凝水出口 自动疏水阀泵 二次侧流 体入口 二次 侧流 体出 口 冷凝水出口 动力蒸汽 c)自动疏水阀泵用于二次侧流量变化的换热器(如图13.8.5所示) 换热器提供恒定温度的热水，根据负荷，热水和冷水通过混合阀后输送到用户端。当二次侧流体流量 发生变化时，换热器内蒸汽压力也会相应变化，以维持恒定的出口温度。因此，高负荷时，蒸汽空间内的 压力高于背压；低负荷时，又会低于背压。 图13.8.6 蒸汽侧压力稳定 二次侧流量控制 控制阀 蒸汽入口 板式换热器 安全阀 二次侧 流体 入口 减压阀 高温切断 汽水分离器 冷凝水出口 二次侧 流体 出口 冷凝水出口 a)换热器的温度控制位于二次侧，使用疏水阀排除冷凝水(如图13.8.6所示) 这种方法有时并不实用甚至不可能实现。例如，它不适合用于空气加热器组，或者用于加热低压的液 体，因为低压液体通过换热器时可能会发生沸腾。 和所有的方法一样，它也既有优点也有缺点，因此在选择该方法时必须充分考虑。 3.换热器内的蒸汽压力高于背压并始终维持恒定，设备内的冷凝水能够通过疏水阀排放： b) 换热器的冷凝水排放口安装疏水阀和控制阀(如图13.8.7) 换热器内的冷凝水通过安装在冷凝水排放管上的控制阀排放。不论负荷如何变化，这种方法同样是要 保持换热器内具有恒定的蒸汽压力。 然而，由于此种控制方式在换热器负荷降低时故意造成其蒸汽空间内积水以达到控制目的，因此这种控 制方法会促成（而非消除）换热器内发生积水。通常只有在以下几种情况下才会采用这种方法： 换热器负荷很稳定或者变化非常缓慢。 与b）所示的设备类似，但换热器二次侧流体的流量由于混合阀的动作会发生改变。 这种方法需要在换热器的二次侧回路安装三通混合阀或分流阀来控制换热器二次侧的温度。供给换热 器的蒸汽压力由压力控制阀控制并维持恒定（通常低于1 bar g），因此换热器内蒸汽压力始终高于背压， 冷凝水一经产生就能够通过疏水阀排放。 953 防止失流的实用方法 13.8.6 章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 换热器不能仅仅采用开关控制来控制温度 开关类温度控制阀不会根据负荷的变化调节开度，它们要么全开，要么完全关闭。例如电磁阀，全 开时前端的蒸汽几乎没有压力损耗地进入换热器，换热器内压力高于系统背压，冷凝水完全能够通过疏水 阀排出。乍一看，这种方法能够完全解决由于背压造成的冷凝水排放不畅的问题，但是它不适合用于换热 器等制程应用，在这类应用中，二次侧流体在不断通过加热设备后需要加热到其设定的温度。主要有以下 三方面原因： 开关控制系统通常依靠自动调温器进行控制，自动调温器通常会依靠一定的产品温度过热来完成温 度控制。由于蒸汽具有很高的热量，当电磁阀关闭时，还会有很大一部分热量滞留在蒸汽空间内，这会造 成产品温度超高。为了抵消这种效应，自动调温器的设定点必须降低，因此让电磁阀开的设定温度会低于 实际需要的产品温度。这会造成系统温度控制效果极差甚至产品报废。 换热器内持续不断的压力和温度的快速变化，这样会在换热器材料内形成热应力和机械应力，有可能 降低换热器的使用寿命。 让蒸汽系统承受瞬间的压力变化是非常不可取的。蒸汽的突然涌入，会推动蒸汽空间和冷凝水管道内 的冷凝水向下游撞击，造成水锤现象，损坏换热器和疏水阀。 开关温度控制通常只适合于“不流动的”或“分批次的”加热过程，特别是一些带有坚固盘管或夹 套的水箱，它们的启动时间一般较长，通常几十分钟甚至一个小时。相比那些需要较短的加热时间而采用 使流体快速流过换热器加热的流动系统而言，此种加热方式加热的速度要慢得多。 结论 一般来说，对于换热器这类加热设备，特别是有时会有失流发生得可能性时，带内置排空气阀的浮球 式疏水阀是最佳的选择。 当设备存在失流发生的可能性时，使用自动疏水阀泵是解决失流的最有效方法，因为其： 系统简单。 具有一定的经济性。 结构紧凑。 请注意：本节中的系统图仅仅是图示而已，为了简单起见，整套装置并没有安装一些必须的或建 图13.8.7 蒸汽测压力稳定 冷凝水位控制 控制阀 蒸汽入口 板式 换热器 减压阀 高温切断 汽水分离器 冷凝水出口 安全阀 排空气阀 二次侧 流体 入口 二次侧 流体 出口 冷凝水出口 换热器设计能够承受积水。 二次侧流体的温度分层现象能够被接受。 议安装的设备。只有图13.8.8给出了自动疏水阀APT14详细的系统安装图。 954 13.8.7 防止失流的实用方法章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 图13.8.8 自动疏水阀和板式换热器的安装详图 二次侧 流体出口 二次侧 流体入口 冷凝水入口 冷凝水出口 100目 过滤器 软密封止回阀 动力蒸 汽入口 废气口 APT14 自动疏水 阀泵 注：动力蒸汽必须疏水以保证无冷凝水。 斯派莎克确定管道 的长度作为集水管 集水管的高度须低于设备出口至少1倍 管径距离，但尽可能高于APT入口。 从泵基座起最小 0.2m的安装高度 注： 有关失流的问题稍微有些复杂，特别是要选择合适类型和口径的设备，确定安装方式以保证其真正能 够处理换热器失流时的负荷。 本章节的目的不在于让读者成为失流问题方面的专家，但希望能够达到以下的效果： 了解什么是失流。 了解为什么会存在失流现象。 了解如何防止失流。 了解谁能够给出合理的解决方法。 955 防止失流的实用方法 13.8.8 章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 956 13.8.9 防止失流的实用方法章节13.8第13章 冷凝水的排除 蒸汽和冷凝水系统手册 Questions 1. Which of the following methods can be employed to prevent the effects of stall? a| Prevent vacuum formation in the steam space and drain to atmosphere b| Maintain the condensate backpressure below the steam space pressure c| Ensure condensate removal by installing a pump-trap d| All of the above 2. When using the vacuum breaker method of preventing stall, which of the following methods is ideal to ensure the backpressure is maintained below atmospheric pressure? a| Install the auxiliary steam trap b| Drain the condensate to the atmosphere c| Drain the condensate to a vented receiver to allow energy recovery d| Replace the float trap with a balanced pressure thermostatic device 3. Which of the following functions is provided by an automatic pump-trap? a| Check valve b| Float type steam trap c| Pressure powered pump d| All of the above 4. When should a separate pump, steam trap and reservoir combination be used to prevent stall? a| In small heat exchangers where backpressure may be greater than steam pressure b| In large heat exchangers where backpressure may be greater than steam pressure c| In vacuum breaker systems where the condensate is drained under gravity d| All of the above 5. What is the advantage of placing a modulating valve in the condensate drain line? a|