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为了提高蒸汽系统的效率和保证蒸汽设备的安全,应当尽可能地提高蒸汽的品质。然而实际的蒸汽系统中经常会有凝结水及空气的存在,影响蒸汽系统的效率及安全。我们应当设法经常地、及时地将蒸汽中的凝结水及空气(包括其他不可凝气体)排出来,挖掘在用设备潜力,达到节能增效的目的。在这方面国内与国外的差距是非常大的,例如河北省三河发电厂的两台日本三菱机组,统计下来约有500只蒸汽自动疏水器。而与之相隔不远的秦皇岛热电厂四台相同容量的国产机组上很难找到一只疏水器,差别是如此的悬殊! 我们发现在蒸汽系统疏水方面日本较欧美考虑的更周全,这与日本缺乏能源资源是有关系的,能源的危机感促使日本在各个领域里都极为重视节能降耗的问题,其节能技术在世界上是处于领先地位的。 蒸汽疏水包含“启动性疏水”和“经常性疏水”,这里我们主要讲的是“经常性疏水”问题。 经常性疏水包括“管线疏水”和“过程疏水”两种不同的情况。管线疏水是针对蒸汽传输过程中由于热量的损失在某些部位产生凝结水的疏水问题,特别是蒸汽流动缓慢甚至完全停止流动的部位(管线盲端或处于关闭状态的热后备设备供汽管线等),这些部位的凝结水是水锤的成因,如不及时排出会给管道及设备带来危害。
国外有关规程规定:任何蒸汽管线沿管长平均每隔30~50米应设置疏水点,在设计中管线形成的自然谷点、盲端及有可能关闭的设备进口处也应设置疏水点。日本一台300MW机组一般要设置200多个疏水点。国产机组有时在一些凝结水较多的部位采用截止阀疏水,并规定一定的时间间隔去人为操作阀门启闭。因为无法判断凝结水的具体情况,一般不是造成凝结水的积存就是造成蒸汽的浪费。
管线经常性疏水示意图
疏水器是一种“自立式阀门”,它可以自动识别蒸汽、冷凝水、空气这三种不同状态的介质并能够自动排出冷凝水和空气、阻断蒸汽逸出,只要疏水器性能可靠就不会出现任何意外的情况(如凝结水积存、泄漏蒸汽或发生“气绑”),完全可以消除人们以往“疏水点多泄漏点就多”的顾虑。例如河北省陡河发电厂的2台日立机组(125MW×2)上有100余只疏水器,已经运行20多年仍在正常工作,并且基本上没有什么维护工作量。 根据“道尔顿分压定律”,如果蒸汽中混有冷凝水或空气,不同相的介质的分压作用会使蒸汽的压力降低,导致机组的效率变差。疏水器在蒸汽管线及设备上具有自动“阻汽、排水、排空气”的三大功能,因此疏水器是蒸汽系统节能增效的好“伴侣”。 日本有资料对设置疏水器的经济性进行统计,一般在半年内可以收回投资疏水器的全部费用,因此可以说在蒸汽系统上设置疏水器实际上是一项高回报的投资行为。 “过程疏水”与管线疏水有所不同,管线疏水是不参与蒸汽工艺过程的(并联应用),而过程疏水是参与蒸汽工艺过程的(串联应用),疏水器在过程疏水中它的性能指标有时会决定整个设备或系统的主要性能和指标(如热交换器、加热器、暖风器等疏水系统)。例如华能上安电厂将一次风暖风器疏水改造为直接导入凝汽器热井的技改项目,由于开始采用的大排量疏水器性能不稳定使系统不能正常运行,后采用日本TLV公司具有先导阀结构的疏水器,运行一年多系统没有出过任何问题,使整个改造工作取得很好的效果。
自动疏水器两种应用场合示意图 疏水器依照工作原理的不同有机械式、热动力式和热静力式等几种主要型式,前两者在发电厂中的应用居多。机械式疏水器工作原理是基于“阿基米德定律”,因此机械式疏水器中相应都有一个“浮子”元件:有凝结水时浮子向上浮起打开阀嘴排放冷凝水,反之则落下关闭阀嘴使蒸汽不能通过。机械式疏水器开始出现在30年代,当时的浮子是敞开式的,象一个倒吊的“桶”因而被人们称做“倒吊桶式”疏水器(下图A)。由于浮子的敞开,每次状态的转换都要等桶中的介质更换后才动作,所以这种疏水器动作迟缓、响应慢,使它在许多的应用场合受到了限制。此外其复杂的“杠杆-铰链”系统故障率高、寿命短也是它的主要弱点。
机械式疏水器的三代产品变化示意图
随着科学技术的发展,五十年代出现了“封闭式浮子”的疏水器—“浮球式疏水器”(上图B),疏水器的响应速度很快,几乎没有任何的延迟。第二代的疏水器产品在某些性能指标上虽有很大提高,但是“杠杆-铰链”系统作为薄弱环节仍然制约着它的可靠性和使用寿命等重要指标的提高。 七十年代初期出现了第三代疏水器产品,由于取消了“杠杆-铰链”系统,人们称之为“自由浮球式”疏水器(上图C)。与前两代产品比较有以下突出的特点: ① 可靠性大幅度提高 传统疏水器所出现的故障90%集中在它的“杠杆-铰链”系统或其与阀体、阀塞及浮球连接的部位,经常出现的问题是电化学腐蚀和变形,尤其是在汽-水交替变化及反复的水冲击下杠杆容易出现变形甚至折损,铰链容易出现旷动甚至“脱节”。取消“杠杆-铰链”系统后疏水器的可靠性则直线提高,例如日本TLV公司的自由浮球式疏水器平均无故障工作时间已达到7万小时以上,许多用户使用了十年、二十年不出故障几乎是普遍的现象。 ② 使用寿命成倍增加 传统疏水器的密封面是固定的,因此磨损是集中的,一般经过3年左右的磨损开始产生泄漏。自由浮球式疏水器的浮球身负检测和执行的功能,它的密封面分布在整个浮球表面上,工作十几年不会发生故障或泄漏,这在国内外大量用户那里都得到了证实。 ③ 密封性能更严密 由于传统疏水器的密封状态会受到“杠杆-铰链”系统的掣肘,杠杆的热胀冷缩、蠕变和挠度变化及铰链磨损产生的旷动,都会影响密封性能,这就是力学上所谓“静不定系统”(不稳定系统)。自由浮球式疏水器的浮球是一个完全的自由体,在其浮起(开阀)和落下(关阀)的过程中不受任何关联件的影响,是力学中典型的“静定系统”(稳定系统)。我们曾对日本TLV公司的自由浮球式疏水器做过一个简单的试验:将一个吹起来的气球套在疏水器的出口上,即使处在反向压差的情况下气球数可坚持数百小时,可见其密封性能已然达到了及至。 ④ 性能价格比更优越 传统疏水器相当一部分成本花在复杂的“杠杆-铰链”机构上面,取消了这套机构后不仅成本降低,产品的体积和重量都显著变小、变轻。最近大唐内蒙托克托电厂2台600MW扩建机组在进口蒸汽自动疏水器的招标中,日本自由浮球式疏水器价格明显低于美国的传统疏水器,而各项性能指标却远远高于其上。 这里要附带说明一个问题,目前在国外真正拥有自由浮球式疏水器自主知识产权及产品的只有日本TLV公司一家,欧美的同类产品仍是传统式的。但是国内却有数十个阀门厂在生产自由浮球式疏水器,由于在关键技术、基础工艺、基础材料以及加工设备等诸多方面的差距(大于二十年),因此这些产品尚无法达到本文对该类产品所做的各种描述。这也正是造成国内许多设计院和电厂用户形成的“疏水点越多、泄漏点越多”观点的主要原因。
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