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系统冷凝水对蒸汽减压阀稳定工作的影响

蒸汽减压阀出口压力频繁超范围波动，甚至，稳压调节功能丧失，一直是供热工程中极为普遍的问题。经过长期观察发现，其中很主要的一个原因，并非是阀门本身，而是系统中冷凝水侵入所致。通过对减压结构及其相关作用的研究，由于阀门自身结构的特点，阀内冷凝水积滞是必然的。对减压阀工作原理的每个细节的分析发现冷凝水对阀门的稳压调节功能具有破坏性。系统冷凝水的分离和排除，即*大程度上保证正常干度的蒸汽的供给，是减压装置、稳定工作的关键。由此提出了减压装置设计的基本要求及相关措施。同时，更要认识到，减压装置z工作的直接对象大都是受压容器。“超压”对设备的工艺温度、产品质量及设备的自身**构成直接威胁，须引起高度重视。
    当我们经常能从运行人员那里听到这样一种反映：现在国产的减压阀，质量不行，后级压力经常稳不住，寿命太短，使用不久，就不起作用了。由于减压阀的失控，导致**阀泄压，刺耳的啸叫，惊邻四座，不仅仅是浪费能源，而且直接影响了设备的**运行。问题是，有些单位更换了进口阀，使用不久，上述问题照样出现。
    通过对大量失控装置的调查（当然，不排除有阀门本身存在的问题）一个共同的发现：阀内普遍存有大量积水，其中不乏是才用不久的新阀，而且系统设计上均未采取冷凝水有效排除的措施。试验证明：将这些冷凝水排除之后，大部分阀门均可投入正常运行、从中得到启示：冷凝水是否就是造成减压装置失控的主要原因？通过思考，明确了研究方向，**，要了解减压阀自身构造上是否有沉积冷凝水的可能？什么部位？**，要解决冷凝水对稳压调节功能是否具有破坏性的作用？

    1  减压阀的结构与冷凝水积滞的可能性
    应该讲，减压阀是一种较为复杂的阀门，结构繁杂，阀内套阀（一只阀中有二只功能截然不同的导阀和主阀）必须详细地来了解一下他们的结构和相关作用。以目前*常用的国产Y43H系列活塞式减压阀和进口的导阀型减压阀为例，进行对比介绍。

    1.1  主要结构及相关区别
    无论国产还是进口，结构虽然有所不同，但都是由调节弹簧组件、导阀组件、主阀组件及调节通道四大部分组成的。
    1.1.1  调节弹簧组件和导阀组件：除了导阀的阀芯形状的区别外（一个是锥台，一个是球体）相差无几。
    1.1.2  主阀组件：结构上完全相反
    国产主阀的阀芯布置在阀座的下面，进气方向为低进高出，呈横S形；
    进口主阀的阀芯布置在阀座的上面，进气方向为高进低出，呈反横S形。

    1.1.3  压力调节通道（图1中的α、β、γ，图2中的a、b、c）布置形式不同
    国产阀压力调节通道都预置在阀体内部（内置式），进口阀压力调节通道都是用铜管连接在阀体外面（外置式）。

    1.1.4  β通道和b通道的功能区别
    国产β通道是从导阀的环形汽腔直接通向下面的活塞气缸上腔，只有连接的功能。
    进口b通道是从主供汽通道分流连接到下游出口的阀体上（一个很细的孔），这个通道作用很特殊，它不仅仅与主隔膜下腔形成压差，有助于主阀膜片的运动，同时也能排走一部分余压蒸汽及冷凝水到下游出口管段，更有利于主阀的迅速关闭。
    国产阀，只要当导阀被开启后，冷凝水就会很快从α通道进入导阀上部的环形汽腔，β通道及活塞汽缸上腔，随着活塞的下行，冷凝水越积越多，直至活塞行程到达下死点时至，在此过程中汽缸变成了“水缸”了。国产阀，由于结构特点盛水容积相对较小，所以只要小量的凝水就能充盈这些部位。
    进口阀，当导阀开启后，冷凝水一般都沉积在汽缸、活塞汽缸上腔及主隔膜片下腔这些主阀运动的原动机构，及β、a、b通道这些压力传输系统。由此可见由于减压阀自身结构的特点，阀内冷凝水的积滞是必然的，而且都是阀门工作核心部位。

    2  从减压阀的工作原理来分析冷凝水对稳压调节功能的破坏性
    要深入探讨冷凝水对减压阀稳压调节功能的影响，首先，必须了解减压阀的工作原理及相互关系。

    2.1  国产减压阀的工作原理
    导阀的开启都是利用顶部的调节螺栓顺时针方向拧动，使弹簧缩产生的弹力，使导阀膜片向下凹陷，作用在导阀连杆上的力，使之向下位移打开导阀。当导阀开启后，上游进汽管段A腔的蒸汽通过α通道（供汽调节通道），经过导阀进入导阀环形汽腔，由β通道直接送到��面的活塞汽缸上腔。在A腔蒸汽不断的供给下，压力持续升高，推动活塞下行打开主阀，这时蒸汽源源不断从A腔流至B腔。当下游出口管段B腔负荷满足的情况下，余多的蒸汽又使B腔内的压力不断升高。不断升高的压力通过γ通道（压力感应通道）反馈到导阀膜片下腔，使导阀膜片向上突起，克服了上部调节弹簧的压力，导阀被关小或关闭。从而，关小或关闭来自上游α通道的蒸汽源。当活塞汽缸上腔压力下降时，在下面复位弹簧的作用下，主阀被关小或关闭，这时B腔内的压力开始下降，这样周而复始达到调压的目的。

    2.2  进口减压阀的工作原理
    当导阀打开以后，上游管段A腔的蒸汽迅速进入内部过滤罩，通过导阀到达a通道（供汽调节通道），当a通道充满蒸汽后直接被送至主阀膜片下腔，同时一部分蒸汽通过b通道（压力控制通道）被分流进入B腔。主阀膜片下腔在a通道蒸汽不断地供给下，主伐膜片受压后向上突起，所产生的推力推动主阀杆向上运动，打开主阀，同样蒸汽源源不断地从A腔流向B腔。当下游出口管段负荷满足的情况下，余多的蒸汽同样也使B腔内的压力不断升高，不断升高的压力通过c通道（压力感应通道）传输到导阀膜片下汽腔，此时导阀膜片向上突起，克服上部调节弹簧的压力，导阀被关小或关闭，减小和切断来自A腔的蒸汽。当主阀膜片下腔压力逐步减小后，上部主阀弹簧发生作用，使主伐阀芯下行回座，主阀被关小或关闭（多余的蒸汽同时通过b通道释放进入B腔，主阀被迅速关闭），使得B腔的压力不断下降，这样来实现调节的。（导阀打开的原理，进口阀和国产阀相同，略）

    2.3  冷凝水破坏稳压调节功能机理的分析
    当下游压力升高（B腔内）需要压力下调时。正常情况下B腔超高的压力，通过压力感应通道（γ）传至导阀，使导阀关小或关闭，从而关小和切断来自A腔的汽源。当冷凝水侵入到汽缸、环形汽腔时，由于水不可压缩的特性，此时，主阀复位弹簧完全失去了作用，活塞不能上行，主阀无法关闭，入口（A腔）的蒸汽仍源源不断，通过常开状态的主阀流入B腔。使之压力超高而失控。

    同例，看进口阀当系统冷凝水充满a、b通道及主隔膜下腔时。来自A腔蒸汽的推力下，主阀膜片处于向上鼓起状态。同样，是水不可压缩特性，使上部复位弹簧无法下行回座，主阀也同样处于常开状态，稳调节功能遭到破坏。
    这里，要强调一点的是，虽然，减压阀属于比例调节阀，但是，当冷凝水充满了阀内这些核心工作部位时，比例调节性质完全改变了，其关键的问题，在于运动部件的摩擦阻力的作用及动作顺序先后的时间差，决定了主阀运动具有滞后性。（导阀动作在先，主阀尾随在后）当接受来自γ及c通道超压讯息后，首先，关小或关闭导阀。这样，切断了阀内冷凝水的退路，显然，活塞和主阀膜片就无法运动。

    综合上述的分析和探讨，很明确，系统冷凝水对供热工程百害而无一利。由此结论，系统冷凝水是破坏蒸汽减压阀稳压调节功能的*基本的原因。

    3  系统冷凝水是**的来源
    在写这篇文章过程中有同行提出，减压阀在其自身工作过程的热交是否会产生冷凝水？这个问题的提出，使我们要考虑减压阀内部是否也会析出冷凝水的问题？所以有必要来了解一下减压阀工作过程的热工状态。为了更形象直观地说明问题，拟借LgP-I图来分析一下，看看在压力降低的情况下，它们各相关状态参数的变化情况，会有一个答案。

    假设上游进口压力为（阀前）P1，下游出口压力为P2，P1与干饱和蒸汽线相交于O1沿等焓线下行。下游出口压力P2与等焓线相交于O2，当压力从P1下降到P2 时，其它相关参数也发生相应的变化。
    压力从P1降至P2沿等焓线进行，所以焓没有改变，但是熵从S1增加到S2，比容也从V1增加到V2，但温度从t1下降到t2。
    由此看来，蒸汽经过减压阀的流动过程，应该认为是绝热节流过程。这种绝热节流过程是不可逆的绝热膨胀等焓流动过程。蒸汽节流后焓值不变，比容和熵都有所增加，温度略有下降。蒸汽经过减压阀后，非但不会产生冷凝水，而且蒸汽干度也得到了提高，可以说冷凝水的产生来自系统，而且是**的。这样，对于防止和减少冷凝水进入减压阀的措施方法也变得简单了。

    4  措施和方法
    4.1  管道中冷凝水排除一种好的做法
    蒸汽热源到各用汽终端，沿程少则几十米，多则几百米或更长，加上有的设备用汽的间断性，蒸汽管路不断与环境进行热交换，这部分冷凝水的排除通常的做法采用分段疏水来解决的。那么效果如何？由于我们选用的疏水管口径都比较细，可以想象，当管内蒸汽流速在十几到几十米/秒·时，实际情况是冷凝水在没排掉多少时，它已经被冲过疏水管口了。这种传统做法排水效率低，效果不理想。
    在输汽总管与疏水管之间加装了一段凝水汇集短管，管径粗，集水能力强，疏水管从凝水短管的腰部引出，形成水封蒸汽不易逃逸。凝水短管的口径与蒸汽输送管的比，推荐为1/2~2/3。如Dn100口径的供汽管，凝水汇集短管的口径可选择50~80的口径。这种方法排量大，效果好，目前国外普遍采用的办法，值得借鉴。

    4.2  减压装置汽水分离器的设置至关重要

    加设汽水分离器能*大程度保证干燥蒸汽的供给，对减压装置的稳定工作，使用寿命是一个重要的保障措施。笔者根据重力分离与阻疑相结合原理设计出的一种汽水分离器，实际使用效果不差，仅供参考。

    综观国外汽水分离器产品，从原理上分有重力式、阻凝式、离心式。从形式上看有卧式、立式，品种多样，规格齐全。但目前国内市场却无产品可选。现在大多使用的是国外产品。（价格昂贵，望而却步）

    凝水滞留对一个蒸汽供热系统来讲是有百害而无一利的。因此，汽水分离器的研制开发有很多事情可做，望同行们共同关注。

    4.3  减压装置设计中的几个问题：
    （1）在汽水分离器凝水排放口下端必须设置一个独立排放口，用于设备启动时排水。
    （2）旁通的设置，*好在减压阀的上方，或者平行设置。
    （3）蒸汽过滤器紧贴减压阀安装。
    （4）选用减压阀流量要合适，设备的耗汽量要准确计算。笔者的体会，减压阀的流量应该比设备耗汽量大10~20%为宜，千万不要出现“大马拉小车的情况”，否则，对减压工况的稳定也有影响。

    5  结束语
    5.1  蒸汽减压供热规范的完善
    减压阀具有“怕水性”的特点，减压装置的设计和安装，必须重视系统冷凝水的分离和排除，同时希望在规范修订时充分考虑这些保障措施的补充。

    5.2  国产蒸汽汽水分离器的研制开发
    早日使产品多样化，规格系列化，为减压装置稳定工作创造一个基本条件

    5.3  从根本上来认识减压装置的稳定运行，其**性和经济性的重要意义
    实际上需要减压供热的对象，如物料反应锅、换热器等往往都是压力容器，每年发生爆炸事故不少，分析主要原因，**阀、防爆片等**附件失控原因很多。一个事实告诉我们：**附件由于种种原因不可能做到****的可靠。一般的理念往往认为，减压装置超压没有关系，反正后面的**附件会自动泄压，减压装置依赖于**附件的灵敏性，反之**附件的失控，“超压”，会直接导致事故的发生，且为事故发生的元凶。应该讲，只要减压装置稳定可靠，才能保证系统的**运行和经济运行。
   很清楚，减压装置的**运行是**位的（预防的概念）**附件的作用是**位的（治理的概念），只有“以防为主、防治结合”，才能从源头上杜绝事故的发生。减压装置的科学设计无论从**性和经济性都具有很重要的意义。（本文在写作过程中，得到了张翼骥高工、祝贺副教授的热忱帮助，一并致谢）

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