蒸汽自动疏水器在火力发电厂中的应用:蒸汽疏水阀选型

来源:调研报告 发布时间:2019-07-05 17:56:07 点击:
论文关键词:蒸气 疏水 疏水器

  论文摘要:本文详细介绍蒸汽自动疏水器的技术发展、工作原理、节能作用以及应用情况,供广大同行们在设计、选型及应用中参考。

  1.概述

  在火力发电机组运行中为了提高蒸汽系统的效率和保证蒸汽设备的安全和经济运行,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,我国从日本三菱、日立公司进口的机组中每台机组约有200多只蒸汽自动疏水器,欧美机组包括俄罗斯机组也都有较多的疏水器。而国产同类机组几乎很难找到一只疏水器,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。差别为什麽如此悬殊?这与日本缺乏能源资源是有关系的,以日本火电机组为例与国产机组比较,我们发现主要有以下两个原因:

  1.1与国家的能源政策和观念有关

  日本因为缺乏能源资源,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。疏水器属于节能产品,因此不仅其疏水器技术领先于欧美国家,疏水器在蒸汽系统上的应用也是最广范、数量最多的(例如河北省三河发电厂两台三菱300MW级机组总共装置了近五百只疏水器),政府在疏水器之类节能产品的应用上都有具体的鼓励政策,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工作,其节能技术在世界上是处于领先地位的。

  我国以往的观念是“地大物博”、“物产丰富”,近年来虽然在扭转这种观念,人们对节能逐渐有了新的认识。但火电厂长期以来只注意安全生产,忽略经济运行,致使对节能工作重视的不够,象疏水器这样的小东西更是无人问津。

  1.2与国产疏水器性能不过关有关

  国内相当一部分人认为“疏水器装的越多泄漏点越多”。我们曾发现有的电厂把许多疏水器拆下并将疏水管口封死,原因是疏水器的泄漏已经影响了出力。因此有些电厂宁可用截止阀或球阀来代替疏水器,谑称自动疏水器是“自动漏水器”,由于国产疏水器质量不过关,所以国产机组应用自动疏水器较少。

  2.蒸气疏水的机理

  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。因此在蒸汽管线及设备上合理的设计、安装具有自动“阻汽、排水、排空气”的疏水器是非常必要的,这不仅是蒸汽管线及设备的安全要求,也是蒸汽系统节能增效的需要。

  蒸汽疏水包含“启动性疏水”和“经常性疏水”两部分,启动性疏水是在机组点火启动阶段的疏水,因为“暖管”凝水量较大,同时“汽水两相流”的冲刷也很严重,一般采用内口大且耐冲刷的Y型截止阀。因为机组进入稳定状态后这些疏水阀必须关闭,所以采用远方操作即可。经常性疏水包括“管线疏水”和“过程疏水”两种不同的工况,如图一所示。

  2.1管线疏水的原理

       管线经常性疏水示意图

    图一管线经常性疏水示意图

  管线疏水是针对蒸汽传输过程中由于热量的不断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),管线凝结水积存是水锤的成因,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出口处也应设置疏水点。由此可见管线疏水的重要性。

  常见的典型应用部位如:垂直管线下方、管线自然低点、盲端,截止阀前后,伴热管线等等。

  2.2过程疏水的原理

  过程疏水如图二所示,“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)。如疏水不及时则造成冷凝水积存,进而影响热量的交换,及时将这些设备的过程疏水可直接回收到凝汽器热井中,这样不仅节约了水资源,同时也提高了经济效益。由此可见过程疏水是非常必要的。

        自动疏水器两种应用场合示意图

    图二自动疏水器两种应用场合示意图

  3.蒸汽自动疏水器的技术发展

  疏水器是一种“自立式阀门”,它可以在线自动识别蒸汽、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,因此,疏水器在蒸汽管线及设备上应具有自动“阻汽、排水、排空气”的三大功能。

  以前,发电厂中的应用较多的是机械式疏水器及热动力式疏水器。机械式疏水器工作原理是基于“阿基米德定律”,当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。最早的机械式疏水器的浮子是敞开式的,象一个倒吊的“桶”因而被人们称做“倒吊桶式”疏水器(如图三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以后才开始动作,所以这种疏水器动作迟缓、响应慢,容易产生冷凝水的积存。此外该疏水器结构具有复杂的“杠杆-铰链”系统,由于经常处于运动中且温度交替变化,故障率较高,使用寿命受到限制。

  后来出现了第二代的“杠杆浮球式疏水器”(图三B),这种疏水器的是封闭的,由于介质不再进出浮子内部响应速度很快,几乎没有任何的延迟。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。

  在科学技术迅猛发展的七十年代初期,在日本出现了第三代“自由浮球式”疏水器(图三C),“自由浮球式”疏水器彻底取消了“杠杆-铰链”系统,浮球脱离了杠杆的掣肘与羁绊,成为完全自由的浮球,自由浮球在密封时具有了“自动对中”的功能提高了密封等级,并且密封面分布在整个球的表面,使密封寿命成倍增加。同时自由浮球对水锤的冲击不会通过杠杆放大这种破坏力,使疏水器的可靠性大大提高。

  3.1自由浮球式疏水器的工作原理

  自由浮球式疏水器仅有一个运动部件—浮球。当有冷凝水流入时浮球向上浮起打开下面的阀嘴排放冷凝水;冷凝水排出后浮球自动落座于阀嘴之上关闭疏水器,使蒸汽不会逸出。

  疏水器上部有一个“膜盒式”自动排空气阀,膜盒中有感温液。机组启动初期首先通过疏水器的是管道或设备中充斥的空气,这些空气温度低使膜盒处于收缩状态而打开排气阀,空气被排出而不会形成“空气绑”(气堵)现象。由于膜盒处于介质压力环境中,感温液的饱和温度在任何压力下均低于水的饱和温度6度,因此,在正常运行过程中,若蒸汽系统中进入空气,就会使蒸汽的相应温度降低,空气成分越多蒸汽温度越低,当蒸汽温度低于饱和温度6度以上时,感温液凝聚膜盒温度内部压力下降,膜盒变薄,排气阀被打开,将混有较多空气成分的蒸汽排出,直至新鲜蒸汽进入疏水器温度恢复后排气阀自动关闭。

  3.2自由浮球式疏水器的特点

  ①可靠性大幅度提高

  疏水器所出现的故障90%发生在“杠杆-铰链”系统或其与阀体、阀塞及浮球相连接的部位,经常出现的问题是电化学腐蚀和水锤冲击造成的变形或损坏。铰链磨损后出现旷动或水锤冲击后发生脱节。取消“杠杆-铰链”系统后的自由浮球式疏水器的可靠性显著提高。

  ②密封寿命成倍增加

  传统疏水器的“阀塞-阀座”密封面是固定接触的,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的密封面分布在整个浮球表面上,变集中磨损为分散磨损,一般工作十几年不会发生泄漏,这在国内许多电厂的应用中都得到了证实。

  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连件的影响,是力学中典型的“静定系统”(稳定系统)。我们曾以日本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数百小时未见气球萎缩,可见其密封性能的完好。

  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。最近内蒙托克托电厂2台600MW机组、河北省王滩4台600MW机组在进口蒸汽自动疏水器的招标中,都不约而同地采用了这种自由浮球式疏水器。

  4.自由浮球式疏水器的应用

  自由浮球式(TLV)疏水器在日立、三菱进口机组中获得广泛的应用,如北京三河2×350MW机组、内蒙准格尔2×350MW机组、河北陡河2×125MW机组,内蒙托克托2×600MW机组、河北王滩4×600MW机组等许多电厂都选用自由浮球式(TLV)疏水器,其中河北陡河发电厂的2台日立机组(125MW×2)上有100余只疏水器,已经运行28年多仍在正常工作,并且基本上没有什么维护工作量。华能上安电厂一次风暖风器改造项目中,因疏水器性能不稳定存在着问题(冷凝水积存造成热风温度上不去),后来采用了自由浮球式疏水器进行改造,将疏水直接导入凝汽器热井,节约了水资源,运行一年多从未出现任何问题,取得了良好的经济效益。

  5.结束语

  近些年来国内火电站的运行和管理水平在不断提高,但是距国外先进国家尚存在着一定的差距,特别是在节能方面。蒸汽是火电站的功能传递的最主要载体,如何提高蒸汽的品质、提高蒸汽的热效率,是“革新挖潜”、“节能增效”的有效途径。蒸汽自动疏水器对于蒸汽系统是必不可缺的,因此,进一步了解疏水器、正确选择和应用疏水器,对技术人员及管理者都有非常现实的意义。

  虽然在老机组改造、新建、扩建工程中选用TLV阀需花费大量资金,但据国外有关资料对设置疏水器的经济性进行统计表明,一般在半年内的节能效益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。

  参考资料:

  《热力发电厂》重庆大学郑体宽

  《工程热力学》南京电力专科学校李笑乐

  《蒸汽疏水器、空气疏水器和冷凝液回收手册》日本TLV公司推荐访问:疏水器 火力发电厂 蒸汽 火力发电厂汽水系统 火力发电厂汽水流程

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