各種蒸汽疏水閥工作原理及現狀概述

一、國內蒸汽疏水閥現狀概述蒸汽疏水閥是用於蒸汽供熱設備和蒸汽管道上，能自動地排除蒸汽使用設備和管道中的冷凝水、空氣及其它不可凝結的氣體，並能防止蒸汽泄漏的自動閥門。蒸汽廣泛地應用於工業生產和生活設施中，無論在蒸汽的輸送管道系統，還是利用蒸汽來進行加熱、乾燥、保溫、消毒、蒸煮、濃縮、換熱、採暖、空調等工藝，過程中所產生的冷凝水都需要通過蒸汽疏水閥排除，而不允許蒸汽泄漏。蒸汽疏水閥性能的優劣，對於蒸汽系統的正常運行，用汽設備熱效率的提高及能源的合理利用等方面具有至關重要的作用。特別是在煤、石油及天然氣等一次能源日益減少的情況下，世界各國政府都將節約能源和開發新能源作為重要的國策。而蒸汽疏水閥在蒸汽使用系統的節能方面起著不可忽視的關鍵作用。據我國有關部門統計，目前全國蒸汽疏水閥擁有量約為432.4萬台，大約有80%的產品達不到現行國家標準漏汽量小於3%的要求，其泄漏率大都在10%左右，這樣一台蒸汽疏水閥就耍浪費4.44噸標煤，全國正在使用的達不到現行國家標準的疏水閥就要浪費1432.33萬噸標煤，摺合人民幣186203萬元，這是一筆相當可觀的數字，由此可見蒸汽疏水閥的節能作用之大，及其在國民經濟發展中的地位之重要是不可等閑視之的。隨著國外能源危機的進一步加劇和現代化工業技術的迅速發展，對熱能充分利用的要求日益提高，蒸汽疏水閥的研究工作在國外更是得到了廣泛的開展。國外蒸汽疏水閥生產廠家為適應現代工業的需要，研製工作更加深入，生產發展很快。本文將結合斯派莎克（SpiraxSarco）公司的蒸汽疏水閥的產品系列介紹各種類型的蒸汽疏水閥和它們的適用場合。二、各種蒸汽疏水閥的工作原理當蒸汽冷凝時，它會釋放出汽化的能量（潛熱能）而形成冷凝水。冷凝水只含有飽和溫度下水所含有的能量（顯熱能）。但是為了確保蒸汽系統中維持最大的熱傳導效率，此冷凝水必須排出系統之外，另外從鍋爐中產生的一些不凝性氣體和空氣以及蒸汽系統起動時管道內的空氣也必須排出蒸汽系統，但同時必須保留有用的蒸汽，這些功能就是由一種自動裝置-蒸汽疏水閥來完成。英國斯派莎克公司作為蒸汽疏水閥市場的領先者，自1910年既開始生產和銷售蒸汽疏水閥，是一家專業從事向蒸汽用戶提供知識、服務和產品的節能公司。該公司產品系列品種齊全，廣泛應用於蒸汽系統，其中蒸汽疏水閥是斯派莎克最重要的產品系列，如TD熱動力蒸汽疏水閥長久以來已成為‘可靠的疏水閥的化身，其各種類型的疏水閥的泄漏率遠遠低於現行國家標準的3%。蒸汽疏水閥有各種不同的疏水方式，有些是感應密度的變化（如機械式）而動作，有些是感應溫度的變化而動作排放，而有些是受通過它們的熱態冷凝水本身的靜壓及動壓之變化而感應開關的。目前疏水閥在世界範圍內，按工作原理劃分，主要有三大類 1、械型蒸汽疏水閥：利用冷凝水與蒸汽之間的密度差來操作的。機械類疏水閥的第一大類是浮球式疏水閥，目前國際上主導的產品為槓桿式浮球疏水閥，其工作原理如圖1所示。疏水閥除了排水阻汽功能外，要求具有良好的排空氣性能，所有的斯派莎克浮球式蒸汽疏水閥均帶有熱靜力派空氣裝置TV，作為標準配置。有些疏水閥除了排空氣裝置以外，還帶有蒸汽汽鎖釋放裝置，主要應用於發生蒸汽堵塞冷凝水無法到達疏水閥的場合即所謂的蒸汽汽鎖情況，如使用虹吸管排除冷凝水（旋轉滾筒設備）或疏水閥前有一段長管道時。浮球式蒸汽疏水閥在冷凝水產生后立刻排出冷凝水，能夠根據壓力和負載的變化迅速排出大量的冷凝水，當對於其它類型的同口徑疏水閥排量大，因此它最適合於換熱要求高、設備不允許積水的各種換熱設備以及帶自動溫度控制的設備的最佳選擇。同時該類型的疏水閥出口總是浸沒在冷凝水中，具有真正意義上排水阻汽的功能。斯派莎克可以提供各種型號的浮球式蒸汽疏水閥能滿足各種製程工藝的需要，主要型號FT14，FT43，FT44，FT47，FT46，FTC32，FT12，FT450等。

1.在起機階段，熱靜力排空裝置（TV）可排出空氣，否則空氣積聚在疏水閥內會引起氣鎖。
2.當冷凝水到達疏水閥，浮球升起，閥門打開，熱的冷凝水使排氣閥關閉。冷凝水以飽和溫度排出。
3.當所有的冷凝水被排出后，蒸汽進入疏水閥。此時浮球下降，閥門關閉。閥芯總是低於水位的，以防直接蒸汽泄漏。

圖1浮球式蒸汽疏水閥的工作過程機械式疏水閥的另外一種主要形式為倒吊桶疏水閥，其工作過程如圖2所示。倒吊桶疏水閥可以使用於高壓的應用。倒吊桶中的空氣如不排除就會阻礙疏水閥的正常工作，而倒吊桶疏水閥的排氣非常緩慢，所以對於大量空氣存在的場合就需要單獨的熱靜力排空氣閥，否則會造成設備積水，影響傳熱效率。因此通常建議安裝單獨的排空氣閥以保證設備迅速有效的起動。很多倒吊桶疏水閥需要配置一個止回閥以防止在壓力突然變化或過熱時失去水封（閃蒸現象）。水封是保證倒吊桶疏水閥避免泄漏蒸汽的關鍵之一。倒吊桶疏水閥同樣在蒸汽的飽和溫度下排放冷凝水。所有的機械式蒸汽疏水閥在疏水閥關閉以後，閥體內存有一定的冷凝水，因此這種疏水閥可能會受到冷凍的危害，如果安裝在低溫的室外環境中，閥體需要保溫。

1.冷凝水到達疏水閥並在內部形成水封。倒吊桶自身的重量使閥門打開，冷凝水便沿著倒吊桶排出。
2.蒸汽進入吊桶內，產生浮力使吊桶升起，閥門關閉。
3.倒吊桶內部的蒸汽不斷冷卻並從排氣孔中溢出，同時冷凝水進入倒吊桶，閥門再次打開，整個工作循環不斷。
4.倒吊桶內的排氣孔不斷將空氣排出至疏水閥頂部，由於排氣孔很小，排氣比較緩慢，因此常會需要安裝單獨的排氣閥。

圖2倒吊桶式蒸汽疏水閥的工作過程 2、熱靜力式蒸汽疏水閥熱靜力式蒸汽疏水閥根據蒸汽和過冷態冷凝水或空氣/蒸汽混合物之間的溫度差來工作。它可用於允許過冷台冷凝水存在的設備，可利用冷凝水中的顯熱能。圖3為壓力平衡式熱靜力式蒸汽疏水閥的工作過程，這種疏水閥有一個填充液體的不鏽鋼密封囊，其填充液體的蒸發溫度低於飽和蒸汽溫度。選擇不同的填充液體，冷凝水的排放溫度不同，一般低於蒸汽飽和溫度5-10度。壓力平衡式疏水閥可根據壓力變化進行自動調節，其排水溫度保持與飽和溫度曲線一起變化。同時該疏水閥在冷態時是常開的，排空氣性能好。

1.起機時，密封囊是冷的，閥門完全打開，冷的空氣和冷凝水由疏水閥排出。
2.當冷凝水溫度接近蒸汽飽和溫度，填充液體蒸發，產生的壓力作用於膜片上，克服壓力，在蒸汽進入疏水閥前推動閥芯靠近閥座，關閉閥門。
3.冷凝水冷卻至低於或接近於蒸汽飽和溫度的設定溫度，密封囊中的壓力下降，閥再次打開，排放出冷凝水。

圖3熱靜力蒸汽疏水閥-壓力平衡式疏水閥的工作過程雙金屬蒸汽疏水閥的工作原理是眾所周知的雙金屬片的感溫特性來工作。其工作過程如圖4所示。雙金屬的工作曲線近於蒸汽飽和曲線，雙金屬疏水閥一般低於蒸汽飽和溫度25-30度時排放冷凝水以充分利用冷凝水中的顯熱。雙金屬蒸汽疏水閥容易受背壓大小的影響，背壓增大將降低排放溫度，增加了設備的積水量。

1.起機階段閥門是打開的，冷凝水和空氣迅速排放。
2.熱的冷凝水通過疏水閥，雙金屬片組被加熱后膨脹，推動閥芯靠近閥座。當冷凝水排放溫度接近蒸汽溫度時，閥門關閉。
3.冷凝水冷卻，雙金屬片組收縮，閥門再次打開，又排放冷凝水。工作不斷循環。

圖4熱靜力蒸汽疏水閥-雙金屬式疏水閥的工作過程熱靜力式蒸汽疏水閥的優點在於：體積小，重量輕，同時有較大的冷凝水排量，冷態時完全打開，排空氣性能好，安裝於室外不會受到冰凍損壞，耐水錘、腐蝕。是伴熱以及非關鍵蒸汽設備的理想選擇。熱靜力式蒸汽疏水閥的缺點在於：低於蒸汽飽和溫度排放冷凝水，因此不能用於要求立即排放冷凝水的加熱設備，為了避免換熱設備的積水，熱靜力式蒸汽疏水閥前必須安裝1-2米的冷卻管。雙金屬式疏水閥對溫度變化的反應相對較慢。斯派莎克壓力平衡式熱靜力式蒸汽疏水閥的主要型號有：BPT13，BPC32，MST21，BTM7等。
斯派莎克雙金屬式蒸汽疏水閥的主要型號有：SMC32，SM45，HP45，HP80/100，ABL等. 3、熱動力蒸汽疏水閥（圓盤式蒸汽疏水閥）熱動力蒸汽疏水閥（在國內又稱為圓盤式蒸汽疏水閥）由於其結構緊湊、原理簡單、工作可靠等特點在國內外被廣泛使用，甚至達到被“濫用"的程度。熱動力蒸汽疏水閥的工作原理如下圖所示。它是根據低速冷凝水與高速閃蒸蒸汽之間的“動力"壓差來工作，整個工作過程只有一個活動部件–不鏽鋼碟片，它具有良好的關緊力並可以防止冷凝水迴流回設備，確保設備的最大工作效率。

圖5熱動力蒸汽疏水閥的工作過程 1.起機時，進口壓力作用於碟片下部，頂起碟片，空氣和較冷的冷凝水立即排出。
2.當僅低於蒸汽溫度的熱冷凝水流經疏水閥時，壓力降低產生閃蒸蒸汽。高速的閃蒸蒸汽在碟片下方產生一個低壓區，使碟片靠近閥座。
3.同時，集聚在碟片上方的閃蒸蒸汽也使碟片壓緊閥座內環及外環。
4.由於頂蓋的散熱，碟片上方的閃蒸蒸汽冷凝，壓力下降，碟片再次升起，排出冷凝水。工作循環不斷重複。
由於熱動力蒸汽疏水閥的工作原理要求進入疏水閥的壓力不低於一定的值，同時疏水閥的背壓一般不能高於進口壓力的50%（斯派莎克熱動力疏水閥出口背壓最高可以達到80%），否則疏水閥將不能正常工作。另外，熱動力疏水閥為間歇式排放。因此，熱動力疏水閥一般不能使用於對加熱效率高同時帶有溫度控制設備的換熱器的應用。熱動力疏水閥一般應用於定壓系統的冷凝水排放，如蒸汽主管道、拌熱管線、壓燙機等的應用。熱動力蒸汽疏水閥在關閉過程中，閥芯和閥座之間有強烈的衝擊，如果閥芯和閥座的材質選擇不當、加工處理不合理，很容易造成閥芯和閥座的磨損，大大降低疏水閥的使用壽命。斯派莎克的熱動力疏水閥的閥芯和閥座採用特殊的材質並經過嚴格的熱處理，同時在具有獨特的三孔式冷凝水出口，確保碟片在關閉過程的平穩工作，避免不均勻磨損，提高使用壽命。總的來說，熱動力蒸汽疏水閥具有體積小、重量輕，自動運行於其工作壓力範圍，無須調節，可用於高壓和過熱系統中，不受水錘和冰凍的損壞，可任意方向安裝，僅有一個運動部件，使用壽命長，維修簡單，可廣泛使用於定壓的冷凝水排放。熱動力蒸汽疏水閥的確定在於無法用於過低進口壓力或過高背壓的場合，排空氣性能較差，但使用帶防氣阻碟片可有效排除空氣。
斯派莎克熱動力蒸汽疏水閥的主要型號有：TD16，TD42，TD45，TD52，TD62，TD120等。三、蒸汽疏水閥的選型由於各種型式的蒸汽疏水閥各有不同的優缺點和不同的適用條件，因此多年以來各種型式的蒸汽疏水閥長期並存，應用於蒸汽系統的各種設備中，沒有一種萬能的疏水閥。如從工作原理來看，浮球式蒸汽疏水閥幾乎可用於每一種應用中，但事實上並非如此，在安裝空間較小的蒸汽主管上通常安裝熱動力型蒸疏水閥，而對於要求過冷態排水以充分利用冷凝水中顯熱的應用中，浮球式蒸汽疏水閥則是不合適的。蒸汽疏水閥的簡單技術使得用戶常嘗試用一種疏水閥滿足所有的要求，譬如只用浮球式蒸汽疏水閥，但應用要求以及設備性能的不同意味著一種疏水閥不可能滿足所有的應用，否則就會影響整個系統的效率。因此為確保蒸汽疏水閥的正確選擇，應考慮以下因素：

· 應用場合· 最大負荷· 設備類型· 系統壓力· 最小負荷· 材質· 背壓· 安全係數· 連接方式· 蒸汽溫度· 是否帶溫度控制· 冷凝水是否回收· 壓差· 疏水閥后的提升高度· 是否安裝排空裝置

除以上因素外，我們同時應考慮其它因素，如環境溫度是否會低於零度？冷凍會對疏水閥造成一定的損害，尤其是黃銅或鑄鐵材質的疏水閥。系統中是否存在嚴重振動影響疏水閥的工作？起機/運行階段系統中會存在多少空氣？圖6給出了應用於蒸汽系統中的一般疏水閥選型圖表，這裡提供了兩種方案以利於選擇，但第一種方案總是第一選擇（括弧內為第二選擇）。蒸汽疏水閥選型圖表圖6蒸汽疏水閥的選型指南FT–浮球式疏水閥 BP–壓力平衡式疏水閥 TD–熱動力疏水閥
SM–雙金屬疏水閥 IB–倒吊桶疏水閥 AV–自動排空氣閥四、蒸汽疏水閥的安裝在選擇了正確的疏水閥的型號和口徑以後，正確的安裝能確保疏水閥最有效的工作。蒸汽疏水閥僅僅是整個蒸汽疏水站的重要部分之一，蒸汽疏水站中各個部件的正確安裝與否都會對整體運行有影響。圖7蒸汽疏水閥站蒸汽疏水閥安裝時應遵循以下各項原則： ●所有的疏水閥均有小的排放口，如管道中的雜質、焊渣等進入疏水閥，就很容易引起堵塞，從而導致疏水閥的泄漏或損害，因此需要在疏水閥上游安裝Y形過濾器。
●對於非直接排向大氣的系統，在疏水閥的上游應安裝Spiratec檢測裝置以便於監測和及時發現疏水閥失靈或設備積水情況。有些情況下在疏水閥下游安裝觀視鏡來代替Spiratec檢測裝置。如安裝觀視鏡應安裝於離噴排式疏水閥（如熱動力疏水閥）下游至少一米處。
●當排水管中存在背壓，為防止疏水閥進口壓力降低或停機時蒸汽空間積水，應在疏水閥下游安裝止回閥。
●旁通忘記關閉會導致蒸汽泄漏或疏水閥故障，並增加冷凝水管道的壓力，從而影響其它疏水閥的工作，因此我們不建議安裝旁通。
●疏水閥的安裝位置應低於用汽設備的出口，在疏水閥的進口和設備出口之間應有150mm左右的下降管。
●應確保疏水閥正確的安裝方向，尤其對於有垂直升降機構的機械式疏水閥（如浮球式和倒吊桶式疏水閥），如安裝方向不正確會導致疏水閥的磨損、失效及泄漏蒸汽。
●熱動力蒸汽疏水閥雖然能在任何安裝方位工作，但安裝於水平管道能獲得最大的使用壽命。
●有些用戶為節約費用，使用一個疏水閥來排放多個設備的冷凝水，這被稱為群組疏水。但實際上由於各設備不同的工作情況，會導致系統積水現象，因此應避免群組疏水。
●對帶溫度控制的換熱設備，應盡量避免冷凝水排放管向上的提升，因為在系統負荷降低時換熱器內的壓力降低而不足於把冷凝水排放出去，從而使設備產生積水、水錘等現象。
●疏水閥應儘可能接近被疏水設備的出口以防止出現蒸汽汽鎖。當冷凝水出口和疏水閥之間的管道中充滿蒸汽時，冷凝水將無法到達疏水閥，從而造成汽鎖，設備積水，影響工作效率。
●如果熱靜力疏水閥用於蒸汽空間不允許積水的場合，需要在疏水閥上游加裝一段冷卻段，一般為2米左右。
●倒吊桶式疏水閥應用於過熱蒸汽或系統壓力波動很大的系統時，應在進口安裝止回閥以避免失去水封而泄漏蒸汽。
●在一些應用中，倒吊桶式疏水閥因為不能迅速排除空氣會導致預熱時間加長和設備積水，應安裝一單獨的排空閥可保證設備有效的運行。
●如果雙金屬疏水閥安裝於有背壓的系統中，背壓的變化會影響冷凝水的排放溫度，背壓增大排放溫度下降，會增加設備積水的可能。
●機械式疏水閥安裝於室外低溫環境應加於保溫。五、蒸汽疏水閥的監測以下的原因可能會引起疏水閥的失效： ●如同所有的機械機構一樣，蒸汽疏水閥也不可避免會遇到磨損的問題，而無法發揮正常功能。
●鍋爐水處理不好，鍋爐水過高的TDS值會使鍋爐水攜帶物進入蒸汽系統，會減小或堵塞疏水閥排放口，請記住一個15mm口徑的疏水閥其排放孔通常在3mm左右。
●管道的雜質、系統的水錘或腐蝕等都會對疏水閥造成致命的損害。
●另外，如果疏水閥選型、安裝不當同樣會使疏水閥不能正常工作。蒸汽疏水閥的失效表現為泄漏蒸汽或無法排水。疏水閥泄漏蒸汽會造成能源的浪費，無法保證穩定的壓力和溫度，增加冷凝水管道的壓力而影響其它設備的工作性能，對設備造成沖蝕等。而疏水閥的堵塞會導致設備積水，造成溫度控制不正確、損壞產品質量、減少熱輸出、水錘損壞設備等。為了維持疏水閥的正常工作，日常的維護比不可少，如在定期檢修，更換內部件等，沒有什麼方法能夠替代疏水閥的維護工作，但可以通過有效的檢測方法來提高維護效率。以下是一些常用的檢測方法： ●在蒸汽疏水閥上噴水
●觀察疏水閥排放至大氣中的狀況
●使用觀視鏡
●使用溫度測量儀錶
●使用超聲波檢測儀
●使用導電率檢測儀由於篇幅限制，本文不對以上方法展開詳細的討論。和整個蒸汽系統相比，蒸汽疏水閥是很小的部件，但疏水閥工作是否正常對蒸汽系統的能源消耗取致關重要的作用。通常在一個系統的改造中，疏水閥的費用佔7%-10%，而其對整個系統的節能效果達到40%以上的貢獻。為了提高系統的效率，針對不同的應用和工況，工程師們應選擇質量可靠、型號合適的蒸汽疏水閥，並應正確安裝，注意日常的維護和定期的檢測。