宋振國，謝驍，陳汝剛，石好

蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)設計

宋振國1，謝驍2，陳汝剛1，石好1

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064 2中國船級社大連分社，遼寧大連116013

蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)的合理設計對提高熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及保證設備的安全運行至關重要，針對鮮有文獻對其設計進行論述的現(xiàn)狀，從疏水系統(tǒng)設計需求出發(fā)，在蒸汽系統(tǒng)吹除工況分析的基礎上，提出蒸汽系統(tǒng)疏水量的計算方法和系統(tǒng)凝水去向設計原則。通過對多種疏水器性能進行比較，得出熱動力疏水器適用于蒸汽系統(tǒng)吹除工況。在對某型船舶疏水系統(tǒng)問題總結的基礎上，提出了疏水系統(tǒng)的布置方案。通過較好實現(xiàn)某型船舶疏水系統(tǒng)功能，驗證了該疏水系統(tǒng)設計方法的合理性。

蒸汽系統(tǒng)；吹除工況；疏水量；疏水器

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：宋振國，謝驍，陳汝剛，等.蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)設計［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：104-109，116.

SONG Zhenguo，XIE Xiao，CHEN Rugang，et al.Design study of the draining system of steam power ships［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：104-109，116.

0　引言

用來疏泄和收集整個動力系統(tǒng)各類蒸汽管道和設備中凝結水的管路系統(tǒng)稱為蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)。管道或設備中的凝結水均為花費大量蒸汽或能量制成的合格爐水，如果這些凝結水直接排入艙底，不僅浪費能量、降低經(jīng)濟性，還會加劇機爐艙內(nèi)的濕熱程度、惡化機艙環(huán)境［1］。當管路中凝水未被疏泄干凈，高速蒸汽流過時容易造成水錘和管路震動，若管路中的凝水被蒸汽高速吹進設備中，不僅會造成設備葉片損傷［2］，還可能造成葉輪的失衡和軸承損壞。例如，某型船舶汽輪發(fā)電機組因汽輪機新蒸汽進管中凝水長期吹除不凈造成了葉輪失衡的故障。綜上所述，疏水系統(tǒng)設計不僅影響整個熱力系統(tǒng)的經(jīng)濟性，也關系到管路、設備的安全和可靠運行［3］。

船舶疏水系統(tǒng)在運行方式、運行考核指標、布置環(huán)境等方面與工業(yè)中的疏水系統(tǒng)相差較大。雖然國內(nèi)外的部分文獻對工業(yè)中蒸汽系統(tǒng)的疏水設計闡述較多，但這些文獻對于船舶疏水系統(tǒng)設計的可借鑒性不高，而國內(nèi)外鮮有文獻對蒸汽動力系統(tǒng)的疏水設計進行論述，所以開展蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)的設計研究具有重要意義。

早期的蒸汽動力船舶噸位較小，管道和設備中凝結水及疏水接口也較少，為了設計簡約可靠，凝結水直接手動排至相關容器或艙底。隨著蒸汽動力船舶噸位的增大，管道和設備中凝結水及疏水接口也相應增多，若采用之前手動疏水的設計，不僅浪費大量人力，也造成大量蒸汽排至容器冷凝而浪費。隨著具有阻汽疏水功能的疏水器技術的日益成熟，將疏水器用于船舶疏水系統(tǒng)已見諸國外蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)設計。隨著大型蒸汽動力船舶的出現(xiàn)，凝結水的回收成本、設備的安全運行等問題日益突出，船舶疏水系統(tǒng)設計也成為設計師關注的焦點。

本文將從大型蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)的設計需求出發(fā)，在蒸汽系統(tǒng)吹除工況分析的基礎上，提出蒸汽系統(tǒng)疏水量計算和疏水器選型的方法，并將通過某大型船舶疏水系統(tǒng)的成功設計案例，驗證本文所提出的疏水系統(tǒng)設計方法的合理性及與大型蒸汽船舶的適配性。

1　船舶疏水系統(tǒng)設計

船舶疏水系統(tǒng)需順暢、高效地疏泄系統(tǒng)中的凝結水，以保證蒸汽系統(tǒng)運行安全，縮短蒸汽系統(tǒng)起動時間。除此之外，疏水系統(tǒng)應合理地采用自動疏水，減輕人工疏水強度。同時對凝水進行回收，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。在開展船舶疏水系統(tǒng)的設計時，首先需對蒸汽系統(tǒng)的疏水工況進行分析，明確設計需求；其次，對管路中的疏水量進行計算，為疏水器性能參數(shù)確定及選型提供依據(jù)；最后從蒸汽系統(tǒng)運行安全性和經(jīng)濟性出發(fā)，確定凝水去向和系統(tǒng)布置要求。

1.1蒸汽系統(tǒng)吹除工況分析

蒸汽系統(tǒng)及汽輪輔機等設備在運行前均需對其內(nèi)部凝水進行吹除，防止凝水對管路或設備造成損害，同時對管道和設備進行暖管和暖機，避免熱應力引起的材料疲勞損害［4］。在系統(tǒng)起動前的吹除操作中，一般將蒸汽閥門部分開啟，利用閥門的節(jié)流減壓作用，將起始吹除壓力控制在0.5～1.0 MPa，此時用于吹除的蒸汽溫度范圍介于152～180℃。吹除過程既存在管路中凝水的閃蒸，也存在凝水被高速蒸汽“裹挾”吹走，同時管路或設備也被蒸汽“暖”至所需溫度。蒸汽系統(tǒng)運行時，管道中蒸汽不流通的部位（如橋管隔離閥前后）可能存有凝水，該凝水在系統(tǒng)運行中需被吹除掉，以免隔離閥打開后，凝水對管路或設備造成損害。當系統(tǒng)運行時，被疏對象（管道或設備）中的蒸汽壓力和溫度基本恒定。蒸汽系統(tǒng)運行結束后，操作人員通常會打開系統(tǒng)或設備的疏水閥，使管路或設備中的凝水排出，以縮短系統(tǒng)起動前的吹除和暖機時間，進而縮短蒸汽動力船舶的冷態(tài)起動時間。系統(tǒng)運行結束后被疏對象中的蒸汽逐漸凝結成水，并通過疏水系統(tǒng)泄放。

1.2蒸汽系統(tǒng)疏水量的計算

疏水量對于疏水器的選型、管道規(guī)格選擇等有著至關重要的影響［5］，所以在設計船舶疏水系統(tǒng)時，疏水量是重要的設計輸入之一。蒸汽系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)中的凝結水量遠小于起動期間和系統(tǒng)結束后的水量，所以本文只討論起動期間和系統(tǒng)運行結束后的凝結水量的求解方法。

1）起動期間凝結水量的計算。

起動暖管時蒸汽遇冷環(huán)境會凝結成水，其過程狀態(tài)在蒸汽飽和線附近。在起動暖管的過程中，由于管路包覆有較厚的絕緣材料，絕緣外表面最高溫度與機艙環(huán)境溫度相近，所以管路對環(huán)境散熱忽略不計。起動期間凝結水量G1等于加熱管路和絕緣的蒸汽量，蒸汽放出的熱量設為Q，其計算公式為

式中：Cn為保溫材料的比熱，kJ/（kg·K）；Cr為管道的比熱，kJ/（kg·K）；Wn為單位長度保溫材料質量，kg；Wr為單位長度管道質量，kg；T0為穩(wěn)態(tài)的蒸汽溫度，K；Tm為保溫材料的平均溫度，K，其值為，T為保溫材料外表面溫度，K；T為1f環(huán)境溫度，K；L為管道長度，m。系統(tǒng)起動時蒸汽管道凝結水量的計算公式為

式中：γ為暖管蒸汽比焓H和同壓力下飽和水比焓h的差值，kJ/kg；t為暖管時間，min。

圖1為水蒸汽溫熵圖。上述方法計算出的凝結水量為飽和蒸汽（圖1中b點）暖管時的凝結水量，若用同壓力下的過熱蒸汽（圖1中c點）進行暖管，其單位質量的過熱蒸汽凝結成水散發(fā)的熱量γ將增加Qbc。當管道和保溫材料溫度達到飽和溫度T0時，蒸汽管道中便不會再有凝水產(chǎn)生，所以用于加熱管道和保溫材料且凝結成水的蒸汽所放出的熱量Q不變。根據(jù)式（2）可得，用同壓力過熱蒸汽加熱單位長度管道和保溫材料的蒸汽的凝結水，小于同壓力下飽和蒸汽凝結水量。

圖1　水蒸汽溫熵圖Fig.1　The T-S diagram ofsteam

2）系統(tǒng)運行結束后凝結水量的計算。

系統(tǒng)運行結束后，蒸汽管道和汽輪設備內(nèi)的蒸汽會逐漸冷凝成凝水，該部分凝水量的計算即為系統(tǒng)運行結束后凝結水量的計算。由于系統(tǒng)運行結束前管道和汽輪設備內(nèi)的蒸汽狀態(tài)（如壓力和溫度）通常是確定的，運行結束后凝水量的求解就比較簡單，其計算公式為

式中：G2為系統(tǒng)運行結束后管道凝結水量，kg/h；t1為系統(tǒng)運行結束后管道中凝結水排凈時間，min；V為管道和設備的總容積，m3；v1為系統(tǒng)運行結束前管道和汽輪設備內(nèi)的蒸汽的比容，m3/kg；x0為管道和設備內(nèi)蒸汽冷卻至大氣壓時蒸汽的干度。

在冷卻的過程中，工質的容積、質量不變，故冷卻前蒸汽的比容等于冷卻后濕蒸汽的比容即

式中：v2為大氣壓下飽和水的比容，m3/kg；v2為大氣壓下飽和蒸汽的比容，m3/kg。

在計算蒸汽系統(tǒng)疏水量時，首先對起動期間和系統(tǒng)運行結束后這2種情況分別求解凝結水量，然后選取較大值并作為蒸汽系統(tǒng)吹除工況下的計算疏水量。在進行蒸汽系統(tǒng)吹除時，各個疏水接口處的疏水量可能存在較大差別，所以在對疏水器進行選型時，通常將蒸汽系統(tǒng)的計算疏水量乘以安全系數(shù)作為蒸汽系統(tǒng)的疏水量，即

式中：G為系統(tǒng)吹除工況下的疏水量，kg/h；K為安全系數(shù)，蒸汽系統(tǒng)吹除工況通常取1～10。

1.3疏水器的應用需求及選型

自動實現(xiàn)阻汽疏水的設備稱為疏水器，隨著科技的發(fā)展，疏水器已在工業(yè)上得到了廣泛應用，但其是否能應用且如何應用于蒸汽動力船舶的管道吹除工況仍是值得研究的問題。另外，疏水器種類繁多，針對蒸汽系統(tǒng)的吹除工況，如何選擇合適的疏水器也是一個亟待研究的課題。

1）疏水器的應用需求分析。

前文已詳細論述了疏水器在大型蒸汽動力船舶上的應用及其優(yōu)點，但疏水器的動作機構隱蔽在其內(nèi)部，操作員很難從外界判斷出其是否正常工作。當疏水器因故障不能排水時，可能造成系統(tǒng)損害。為了規(guī)避上述風險，部分關系設備安全運行的疏水管路（如汽輪輔機新蒸汽進口管路的疏水管路）仍采取手動疏水，且凝水直接排至艙底，這種人為監(jiān)督的設計可使操作員容易判斷出凝水是否排凈，保證管路或設備運行安全、可靠。人為監(jiān)督式疏水管路上不設置疏水器，因為疏水器的故障不動作和凝水的二次閃蒸均會給操作員的判斷帶來誤導，在管道仍有凝水的情況下認為暖管結束，所以該管路上只設置截止閥。

2）疏水器的選型。

疏水器種類繁多，但每種疏水器都有其應用范圍［6-7］，其中杠桿浮球式、熱靜力式、熱動力式疏水器較多地應用在船舶上?，F(xiàn)對這幾類疏水器性能進行比較（表1），以便針對蒸汽系統(tǒng)吹除工況更好地開展疏水器選型。

通過對上述3種疏水器性能的比較，不難發(fā)現(xiàn)，熱動力式和熱靜力式外形尺寸相對于杠桿浮球式的疏水器較小，便于疏水系統(tǒng)的管路布置，這對于布置空間寶貴的動力艙來說具有很大優(yōu)勢。熱靜力式疏水器動作延遲，可能因凝水不能及時排除造成管道或設備損傷；除此之外，熱靜力式疏水器前需布置較長的冷卻段，且冷卻管段不允許包覆絕緣，這對于空間有限且溫度控制要求較高的動力艙難以實現(xiàn)，故不建議將其用于蒸汽系統(tǒng)吹除工況的疏水。熱動力式疏水器間歇動作，且動作時存在一定聲音，可使操作員容易判斷出其是否正常工作，但其存在一定的蒸汽泄漏量。綜上分析，杠桿浮球式疏水器雖然性能滿足船舶蒸汽系統(tǒng)吹除工況的疏水要求，但因其外形尺寸較大，很少用于船舶吹除工況的疏水；熱靜力疏水器雖然外形尺寸較小，但性能不能滿足船舶蒸汽系統(tǒng)的吹除工況；熱動力式疏水器雖存在蒸汽泄漏，但能很好地應用于蒸汽管道和設備吹除工況的疏水。

表1　各類疏水器性能比較Tab.1　The com parison of different typesof steam traps'per formance

1.4凝水去向分析

管道或設備中凝水經(jīng)疏水管路后的去向主要分為收集和泄放，選擇哪種去向主要取決于設備安全運行和經(jīng)濟性的綜合考慮。凝水手動排艙底雖然造成了凝水和人力的浪費，但利于確保設備的安全運行，所以將重要設備或受凝水沖擊較大管道的疏水管路設計成直接排至艙底。蒸汽系統(tǒng)中的凝水是由海水耗費能量制成，若直接排至艙底或舷外則造成能量的浪費。管道中的凝水由蒸汽直接冷凝而成，幾乎不包含任何溶解性固形物（TDS），鍋爐需排污以減少TDS，增加凝水回收量意味著減少鍋爐排污次數(shù)，進而減少能量損失。此外，凝水中的鹽度達到了鍋爐給水的要求，可免去爐水過濾所消耗的能量。凝水回收的好處眾多，若對這些凝水進行回收，勢必會增加疏水系統(tǒng)的建造和維護費用，所以在回收凝水時，需綜合權衡回收凝水的價值及為回收凝水所付出的代價。通過對船舶蒸汽系統(tǒng)中凝水回收價值的分析和計算，可得出凝水回收的價值高于為回收凝水所付出的代價，所以船舶蒸汽系統(tǒng)中凝水以回收為主。綜上所述，對凝水的處理首先需保證設備安全、可靠地運行，在此基礎上再對凝水進行合理回收，提高系統(tǒng)熱力的經(jīng)濟性。

收集后的凝水鹽度達到了鍋爐給水的要求，可將其排至凝水系統(tǒng)中的容器內(nèi)，但需避免凝水的排入破壞容器內(nèi)的壓力平衡。此外，為方便凝水的回收，凝水回收管道應水平或下行，故收集容器的位置應不高于管道或設備吹除接口的位置。依據(jù)上述原則，對凝水系統(tǒng)中可能用于收集凝水的容器進行了分析（表2）。

表2　　凝水收集容器比較Tab.2　The com parison of d rain water reservoir

可見，收集后凝水的去向為除氧器和污冷凝水柜，不建議將其排至冷凝器。另外，若回收的凝水中含有較多雜質（如系統(tǒng)管路首次使用），則凝水需排至舷外或艙底。

1.5疏水系統(tǒng)管路的布置

疏水系統(tǒng)管路布置不僅關系到蒸汽管中的凝水能否順利流至疏水系統(tǒng)，也影響到疏水管道中的凝水排出的流暢性。其中蒸汽管路上疏水接口布置對凝水能否流至疏水系統(tǒng)至關重要，疏水管路的布置對凝水在管路中流動的狀態(tài)有較大影響。某蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)在設計時未明確系統(tǒng)布置原則和要求，不僅造成蒸汽管路中的凝水不能排出帶來的管路振動和噪音，還導致汽輪發(fā)電機組軸承因凝水的沖擊而多次損壞。結合實船疏水系統(tǒng)布置帶來的問題及后期的改進措施，提出疏水接口和疏水管路的布置方案。

1）疏水接口的布置。

疏水接口是蒸汽管路或汽輪設備上為疏泄凝水所預留的接口。系統(tǒng)中蒸汽逐漸冷凝成水并匯至管路低凹處，然后凝水依靠管中的壓力或凝水自重經(jīng)疏水接口流入疏水系統(tǒng)，故疏水接口應布置在管路的低凹處；為防止凝水被蒸汽吹進設備，通常在設備入口處的管路上添加疏水接口；蒸汽系統(tǒng)橋管通常布置在狹窄的管路通道內(nèi)，為了便于橋管疏水，一般將橋管中部抬高，兩邊降低，并在至橋管隔離閥兩端均加裝疏水接口；在蒸汽系統(tǒng)中存在低凹處的管路附件（如蒸汽集管、閥門等）的低處加裝疏水接口，以便于這些部位的凝水排至疏水系統(tǒng)。若蒸汽減壓閥內(nèi)被吹進凝水，則減壓閥處于開啟狀態(tài)，不能實現(xiàn)降壓功能，所以蒸汽管道中減壓閥需高位布置或閥前設置疏水接口，確保減壓閥前管道中凝水排凈。

2）凝水回收管道布置。

凝水回收管道分為至疏水器的排水管（圖2中細實線）和疏水器排放管（圖2中粗實線）。其中蒸汽管道至疏水器的排水管口徑選型應正確且長度應不超過2m，才能保證設備的壓力和疏水器內(nèi)的壓力相近［8-9］，避免冷凝水閃蒸引起的疏水器“汽鎖”現(xiàn)象。設備排水口至疏水器之間的管道應垂直布置且垂直管道應大于10倍管徑，該布置方式不僅可以排出設備底部的積水，還提供一個小的勢能，在起動蒸汽壓力較小的情況下，幫助凝水排出。疏水器排放管指疏水器與凝水接收容器之間的管道，當凝水由疏水器前的高壓管路排至低壓容器時，部分凝水閃蒸成蒸汽，蒸汽的體積比水大許多，需按照蒸汽的流速確定管徑。若疏水器排放管管徑偏小，則蒸汽流速增大，管路背壓增大，不僅會造成凝水回收不暢，還可能導致水錘現(xiàn)象；若管徑偏大，則管路布置困難且管路成本增高。為解決上述問題，在接近凝水接收容器的排放管總管上加裝降壓作用的多級節(jié)流孔板。多級節(jié)流孔板至凝水接收容器間管路的管徑增大，使得管內(nèi)閃蒸蒸汽的流速不大于20m/s，降低蒸汽閃蒸帶來的影響。另外，疏水器排放管布置應下行或向下傾斜；若不可避免疏水器排放管上行，則上升管應盡量短且在排放管總管頂部接入，同時上升管的管徑應大些（圖2）。

圖2　蒸汽系統(tǒng)及其疏水系統(tǒng)布置圖Fig.2　The arrangementp lan of the steam system and the drain system

2　大型蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)設計舉例

某船舶飽和蒸汽系統(tǒng)原理如圖2虛線所示，其工作壓力為2.45 MPa，溫度為225℃。暖管用蒸汽壓力為0.8 MPa（飽和溫度175℃），飽和蒸汽管路保溫材料為二氧化硅氣凝膠，保溫層厚度為50mm，氣凝膠密度為180 kg/m3；蒸汽管道的材料為合金鋼，密度為7 850 kg/m3；其余參數(shù)取值或計算值如表3所示。

表3　某型船舶飽和蒸汽系統(tǒng)疏水量計算Tab.3　The calcu lation of d rain water volum e of the saturated steam system

根據(jù)某船舶飽和蒸汽管路的布置情況，每10m管路設置一個疏水器，結合疏水量的計算值選擇的熱動力式疏水器的性能指標如表4所示。

表4　某型船舶飽和蒸汽系統(tǒng)疏水器性能指標Tab.4　The steam trap per formance of the saturated steam system

該型船舶疏水系統(tǒng)的設計得到了操作人員的認可，通過對疏水系統(tǒng)長期使用情況的跟蹤和回訪發(fā)現(xiàn)，該疏水系統(tǒng)能及時順暢地疏泄掉蒸汽系統(tǒng)中的凝水，很好地實現(xiàn)其功能。

3　結語

1）在對蒸汽系統(tǒng)吹除工況分析的基礎上，提出了蒸汽系統(tǒng)疏水量的計算方法，通過對某船舶飽和蒸汽系統(tǒng)疏水量的計算，驗證了本文提出的疏水量計算方法的合理性。

2）通過對多種疏水器性能的比較，提出熱動力式疏水器能很好地應用于蒸汽動力船舶疏水系統(tǒng)。某蒸汽動力系統(tǒng)船舶對于熱動力式疏水器的廣泛應用也進一步驗證了疏水器選型的正確性。通過對疏水系統(tǒng)凝水去向的分析，給出了凝水去向的設計原則。

3）疏水系統(tǒng)的布置對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)至關重要，結合實船疏水系統(tǒng)布置中出現(xiàn)的問題及改進措施，提出了疏水接口和疏水管路布置的要求和方案。

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［責任編輯：胡文莉］

Design study of the d raining system of steam power ships

SONGZhenguo1，XIE Xiao2，CHEN Rugang1，SHIHao1
1 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China 2 Dalian Branch of China Classification Society，Dalian 116013，China

The reasonable design of the draining system of ships is of paramount importance to improve the cost-efficiency and operation safety of equipments.As few paper discusses the design of the ship's draining system，amethod to calculate the drained water volume and the drained water direction is presented on the basis of b low-off operating condition analysis.The thermal steam trap that applies to the b low-off operating condition of the steam system is selected through the comparison ofmany steam traps.Finally，the practicality，efficiency，and rationality of the proposed designmethod are validated.

steam system；blow-offoperating condition；drained water volume；steam trap

U664.84

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.017

2014-12-24網(wǎng)絡出版時間：2015-10-8 10∶44

宋振國（通信作者），男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：蒸汽動力系統(tǒng)設計。E-mail：570706684@qq.com

陳汝剛，男，1975年生，博士，高級工程師。研究方向：蒸汽動力系統(tǒng)設計

網(wǎng)絡出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1044.008.htm l