蒸汽疏水阀工作原理

蒸汽疏水阀工作原理

一、国内蒸汽疏水阀现状概述

蒸汽疏水阀是用于蒸汽供热设备和蒸汽管道上，能自动地排除蒸汽使用设备和管道中的冷凝水、空气及其它不可凝结的气体，并能防止蒸汽泄漏的自动阀门。蒸汽广泛地应用于工业生产和生活设施中，无论在蒸汽的输送管道系统，还是利用蒸汽来进行加热、干燥、保温、消毒、蒸煮、浓缩、换热、采暖、空调等工艺，过程中所产生的冷凝水都需要通过蒸汽疏水阀排除，而不允许蒸汽泄漏。 蒸汽疏水阀性能的优劣，对于蒸汽系统的正常运行，用汽设备热效率的提高及能源的合理利用等方面具有至关重要的作用。

特别是在煤、石油及天然气等一次能源日益减少的情况下，世界各国政府都将节约能源和开发新能源作为重要的国策。而蒸汽疏水阀在蒸汽使用系统的节能方面起着不可忽视的关键作用。 据我国有关部门统计，目前全国蒸汽疏水阀拥有量约为432.4万台，大约有80%的产品达不到现行国家标准漏汽量小于3%的要求，其泄漏率大都在10%左右，这样一台蒸汽疏水阀就耍浪费 4.44吨标煤，全国正在使用的达不到现行国家标准的疏水阀就要浪费1432.33万吨标煤，折合人民币186203万元，这是一笔相当可观的数字，由此可见蒸汽疏水阀的节能作用之大，及其在国民经济发展中的地位之重要是不可等闲视之的。

随着国外能源危机的进一步加剧和现代化工业技术的迅速发展，对热能充分利用的要求日益提高，蒸汽疏水阀的研究工作在国外更是得到了广泛的开展。国外蒸汽疏水阀生产厂家为适应现代工业的需要，研制工作更加深入，生产发展很快。本文将结合良科公司的蒸汽疏水阀的产品系列介绍各种类型的蒸汽疏水阀和它们的适用场合。

二、各种蒸汽疏水阀的工作原理

当蒸汽冷凝时，它会释放出汽化的能量（潜热能）而形成冷凝水。冷凝水只含有饱和温度下水所含有的能量（显热能）。但是为了确保蒸汽系统中维持最大的热传导效率，此冷凝水必须排出系统之外，另外从锅炉中产生的一些不凝性气体和空气以及蒸汽系统起动时管道内的空气也必须排出蒸汽系统，但同时必须保留有用的蒸汽，这些功能就是由一种自动装置 - 蒸汽疏水阀来完成。

蒸汽疏水阀有各种不同的疏水方式，有些是感应密度的变化（如机械式）而动作，有些是感应温度的变化而动作排放，而有些是受通过它们的热态冷凝水本身的静压及动压之变化而感应开关的。目前疏水阀在世界范围内，按工作原理划分，主要有三大类

1、机械型蒸汽疏水阀：利用冷凝水与蒸汽之间的密度差来操作的。

机械类疏水阀的第一大类是浮球式疏水阀，目前国际上主导的产品为连杆式浮球疏水阀，其工作原理如图1所示。疏水阀除了排水阻汽功能外，要求具有良好的排空气性能，所有的良科浮球式蒸汽疏水阀均带有热静力派空气装置TV ，作为标准配置。有些疏水阀除了排空气装置以外，还带有蒸汽汽锁释放装置，主要应用于发生蒸汽堵塞冷凝水无法到达疏水阀的场合即所谓的蒸汽汽锁情况，如使用虹吸管排除冷凝水（旋转滚筒设备）或疏水阀前有一段长管道时。

浮球式蒸汽疏水阀在冷凝水产生后立刻排出冷凝水，能够根据压力和负载的变化迅速排出大量的冷凝水，当对于其它类型的同口径疏水阀排量大，因此它最适合于换热要求高、设备不允许积水的各种换热设备以及带自动温度控制的设备的最佳选择。同时该类型的疏水阀出口总是浸没在冷凝水中，具有真正意义上排水阻汽的功能。良科可以提供各种型号的浮球式蒸汽疏水阀能满足各种制程工艺的需要。

图1 浮球式蒸汽疏水阀的工作过程

机械式疏水阀的另外一种主要形式为倒吊桶疏水阀，其工作过程如图2所示。倒吊桶疏水阀可以使用于高压的应用。倒吊桶中的空气如不排除就会阻碍疏水阀的正常工作，而倒吊桶疏水阀的排气非常缓慢，所以对于大量空气存在的场合就需要单独的热静力排空气阀，否则会造成设备积水，影响传热效率。因此通常建议安装单独的排空气阀以保证设备迅速有效的起动。很多倒吊桶疏水阀需要配置一个止回阀以防止在压力突然变化或过热时失去水封（闪蒸现象）。水封是保证倒吊桶疏水阀避免泄漏蒸汽的关键之一。倒吊桶疏水阀同样在蒸汽的饱和温度下排放冷凝水。

所有的机械式蒸汽疏水阀在疏水阀关闭以后，阀体内存有一定的冷凝水，因此这种疏水

图2 倒吊桶式蒸汽疏水阀的工作过程

2、热静力式蒸汽疏水阀

热静力式蒸汽疏水阀根据蒸汽和过冷态冷凝水或空气/蒸汽混合物之间的温度差来工作。它可用于允许过冷台冷凝水存在的设备，可利用冷凝水中的显热能。

图3为压力平衡式热静力蒸汽疏水阀的工作过程，这种疏水阀有一个填充液体的不锈钢密封囊，其填充液体的蒸发温度低于饱和蒸汽温度。选择不同的填充液体，冷凝水的排放温度不同，一般低于蒸汽饱和温度5-10度。压力平衡式疏水阀可根据压力变化进行自动调节，其排水

图3 热静力蒸汽疏水阀-压力平衡式疏水阀的工作过程

双金属蒸汽疏水阀的工作原理是众所周知的双金属片的感温特性来工作。其工作过程如

图4所示。双金属的工作曲线近于蒸汽饱和曲线，双金属疏水阀一般低于蒸汽饱和温度25-30度时排放冷凝水以充分利用冷凝水中的显热。双金属疏水阀容易受背压大小的影响，背压增大将

图4 热静力蒸汽疏水阀-双金属式疏水阀的工作过程

热静力蒸汽疏水阀的优点在于：体积小，重量轻，同时有较大的冷凝水排量，冷态时完全打开，排空气性能好，安装于室外不会受到冰冻损坏，耐水锤、腐蚀。是伴热以及非关键蒸汽设备的理想选择。

热静力蒸汽疏水阀的缺点在于：低于蒸汽饱和温度排放冷凝水，因此不能用于要求立即排放冷凝水的加热设备，为了避免换热设备的积水，热静力疏水阀前必须安装1-2米的冷却管。双金属式疏水阀对温度变化的反应相对较慢。

3、热动力蒸汽疏水阀（圆盘式蒸汽疏水阀）

热动力蒸汽疏水阀（在国内又称为圆盘式疏水阀）由于其结构紧凑、原理简单、工作可靠等特点在国内外被广泛使用，甚至达到被“滥用" 的程度。热动力疏水阀的工作原理如下图所示。它是根据低速冷凝水与高速闪蒸蒸汽之间的“动力" 压差来工作，整个工作过程只有一个活动部件 – 不锈钢碟片，它具有良好的关紧力并可以防止冷凝水回流回设备，确保设备的最大工作效率。

图5 热动力蒸汽疏水阀的工作过程

1.起机时，进口压力作用于碟片下部，顶起碟片，空气和较冷的冷凝水立即排出。

2.当仅低于蒸汽温度的热冷凝水流经疏水阀时，压力降低产生闪蒸蒸汽。高速的闪蒸蒸汽在碟片下方产生一个低压区，使碟片靠近阀座。

3.同时，集聚在碟片上方的闪蒸蒸汽也使碟片压紧阀座内环及外环。

4.由于顶盖的散热，碟片上方的闪蒸蒸汽冷凝，压力下降，碟片再次升起，排出冷凝水。工作循环不断重复。

由于热动力蒸汽疏水阀的工作原理要求进入疏水阀的压力不低于一定的值，同时疏水阀的背压一般不能高于进口压力的50%（良科公司热动力疏水阀出口背压最高可以达到80%），否则疏水阀将不能正常工作。另外，热动力疏水阀为间歇式排放。因此，热动力疏水阀一般不能使用于对加热效率高同时带有温度控制设备的换热器的应用。热动力疏水阀一般应用于定压系统的冷凝水排放，如蒸汽主管道、拌热管线、压烫机等的应用。

热动力疏水阀在关闭过程中，阀芯和阀座之间有强烈的冲击，如果阀芯和阀座的材质选择不当、加工处理不合理，很容易造成阀芯和阀座的磨损，大大降低疏水阀的使用寿命。良科公司的热动力疏水阀的阀芯和阀座采用特殊的材质并经过严格的热处理，同时在具有独特的三孔式冷凝水出口，确保碟片在关闭过程的平稳工作，避免不均匀磨损，提高使用寿命。

总的来说，热动力疏水阀具有体积小、重量轻，自动运行于其工作压力范围，无须调节，可用于高压和过热系统中，不受水锤和冰冻的损坏，可任意方向安装，仅有一个运动部件，使用寿命长，维修简单，可广泛使用于定压的冷凝水排放。

热动力疏水阀的确定在于无法用于过低进口压力或过高背压的场合，排空气性能较差，但使用带防气阻碟片可有效排除空气。

三、蒸汽疏水阀的选型

由于各种型式的蒸汽疏水阀各有不同的优缺点和不同的适用条件，因此多年以来各种型式的蒸汽疏水阀长期并存，应用于蒸汽系统的各种设备中，没有一种万能的疏水阀。如从工作原理来看，浮球式蒸汽疏水阀几乎可用于每一种应用中，但事实上并非如此，在安装空间较小的蒸汽主管上通常安装热动力型蒸汽疏水阀，而对于要求过冷态排水以充分利用冷凝水中显热的应用中，浮球式疏水阀则是不合适的。

蒸汽疏水阀的简单技术使得用户常尝试用一种疏水阀满足所有的要求，譬如只用浮球式疏水阀，但应用要求以及设备性能的不同意味着一种疏水阀不可能满足所有的应用，否则就会影响整个系统的效率。

除以上因素外，我们同时应考虑其它因素，如环境温度是否会低于零度？冷冻会对疏水阀造成一定的损害，尤其是黄铜或铸铁材质的疏水阀。系统中是否存在严重振动影响疏水阀的工作？起机/运行阶段系统中会存在多少空气？

图6给出了应用于蒸汽系统中的一般疏水阀选型图表，这里提供了两种方案以利于选择，

但第一种方案总是第一选择（括号内为第二选择）。

蒸汽疏水阀选型图表

图6蒸汽疏水阀的选型指南

FT –浮球式疏水阀 BP –压力平衡式疏水阀 TD –热动力疏水阀

SM –双金属疏水阀 IB –倒吊桶疏水阀 AV – 自动排空气阀

四、蒸汽疏水阀的安装

在选择了正确的疏水阀的型号和口径以后，正确的安装能确保疏水阀最有效的工作。蒸汽疏水阀仅仅是整个蒸汽疏水站的重要部分之一，蒸汽疏水站中各个部件的正确安装与否都会对整体运行有影响。

图7蒸汽疏水阀站

蒸汽疏水阀安装时应遵循以下各项原则：

●所有的疏水阀均有小的排放口，如管道中的杂质、焊渣等进入疏水阀，就很容易引起堵塞，从而导致疏水阀的泄漏或损害，因此需要在疏水阀上游安装Y 形过滤器。

●对于非直接排向大气的系统，在疏水阀的上游应安装Spiratec 检测装置以便于监测和及时发现疏水阀失灵或设备积水情况。有些情况下在疏水阀下游安装观视镜来代替Spiratec 检测装置。如安装观视镜应安装于离喷排式疏水阀（如热动力疏水阀）下游至少一米处。

●当排水管中存在背压，为防止疏水阀进口压力降低或停机时蒸汽空间积水，应在疏水阀下游安装止回阀。

●旁通忘记关闭会导致蒸汽泄漏或疏水阀故障，并增加冷凝水管道的压力，从而影响其它疏水阀的工作，因此我们不建议安装旁通。

●疏水阀的安装位置应低于用汽设备的出口，在疏水阀的进口和设备出口之间应有150mm 左右的下降管。

●应确保疏水阀正确的安装方向，尤其对于有垂直升降机构的机械式疏水阀（如浮球式和倒倒吊桶疏水阀），如安装方向不正确会导致疏水阀的磨损、失效及泄漏蒸汽。

●热动力蒸汽疏水阀虽然能在任何安装方位工作，但安装于水平管道能获得最大的使用寿命。

●有些用户为节约费用，使用一个疏水阀来排放多个设备的冷凝水，这被称为群组疏水。但实际上由于各设备不同的工作情况，会导致系统积水现象，因此应避免群组疏水。

●对带温度控制的换热设备，应尽量避免冷凝水排放管向上的提升，因为在系统负荷降低时换热器内的压力降低而不足于把冷凝水排放出去，从而使设备产生积水、水锤等现象。 ●疏水阀应尽可能接近被疏水设备的出口以防止出现蒸汽汽锁。当冷凝水出口和疏水阀之间的管道中充满蒸汽时，冷凝水将无法到达疏水阀，从而造成汽锁，设备积水，影响工作效率。 ●如果热静力疏水阀用于蒸汽空间不允许积水的场合，需要在疏水阀上游加装一段冷却段，一般为2米左右。

●倒吊桶疏水阀应用于过热蒸汽或系统压力波动很大的系统时，应在进口安装止回阀以避免失去水封而泄漏蒸汽。

●在一些应用中，倒吊桶疏水阀因为不能迅速排除空气会导致预热时间加长和设备积水，应安装一单独的排空阀可保证设备有效的运行。

●如果双金属疏水阀安装于有背压的系统中，背压的变化会影响冷凝水的排放温度，背压增大排放温度下降，会增加设备积水的可能。

●机械式疏水阀安装于室外低温环境应加于保温。

五、蒸汽疏水阀的监测

以下的原因可能会引起疏水阀的失效：

●如同所有的机械机构一样，蒸汽疏水阀也不可避免会遇到磨损的问题，而无法发挥正常功能。

●锅炉水处理不好，锅炉水过高的TDS 值会使锅炉水携带物进入蒸汽系统，会减小或堵塞疏水阀排放口，请记住一个15mm 口径的疏水阀其排放孔通常在3mm 左右。

●管道的杂质、系统的水锤或腐蚀等都会对疏水阀造成致命的损害。

●另外，如果疏水阀选型、安装不当同样会使疏水阀不能正常工作。

蒸汽疏水阀的失效表现为泄漏蒸汽或无法排水。疏水阀泄漏蒸汽会造成能源的浪费，无法保证稳定的压力和温度，增加冷凝水管道的压力而影响其它设备的工作性能，对设备造成冲蚀等。而疏水阀的堵塞会导致设备积水，造成温度控制不正确、损坏产品质量、减少热输出、水锤损坏设备等。

为了维持疏水阀的正常工作，日常的维护比不可少，如在定期检修，更换内部件等，没有什么方法能够替代疏水阀的维护工作，但可以通过有效的检测方法来提高维护效率。 以下是一些常用的检测方法：

●在蒸汽疏水阀上喷水

●观察疏水阀排放至大气中的状况

●使用观视镜

●使用温度测量仪表

●使用超声波检测仪

●使用导电率检测仪

由于篇幅限制，本文不对以上方法展开详细的讨论。

和整个蒸汽系统相比，蒸汽疏水阀是很小的部件，但疏水阀工作是否正常对蒸汽系统的能源消耗取致关重要的作用。通常在一个系统的改造中，疏水阀的费用占7%-10%，而其对整个系统的节能效果达到40%以上的贡献。为了提高系统的效率，针对不同的应用和工况，工程师们应选择质量可靠、型号合适的蒸汽疏水阀，并应正确安装，注意日常的维护和定期的检测。