新型冷凝水疏水阀原理及应用

2021-06-29靳海斌钟天炜

冶金动力 2021年1期

关键词：浮球阀片排水口

靳海斌，钟天炜

（湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司，湖南湘潭 411100）

1 传统管道冷凝水疏水阀

1.1 热动力圆盘式疏水阀

它是根据利用蒸汽和冷凝水的不同热力学特性，使疏水阀内部的阀片根据压差实现阀片的开关，从而达到排水阻气的功能。其结构见图1。

图1 热动力圆盘式疏水阀内部图

疏水阀的阀片，不仅是起到热传感作用，同时又起到排水开关的作用。当管道内出现冷凝水时，管道内工作压力上升，阀片迅速打开，从而将冷凝水排出管道。当冷凝水排放后，蒸汽进入阀内，其体积迅速膨胀，由于流速比冷凝水快，使阀片上下产生压差，在蒸汽流速的带动下迅速关闭。当阀片关闭后，阀片受到双侧挤压，因阀内的压力等于蒸汽压力，所以阀片上面受力大于下面，从而实现可靠关闭。

该疏水阀由于是热传感元件动作，只适用于蒸汽管道，不适用压缩空气管道排水。

1.2 传统浮球式疏水器

此种疏水阀内部结构相对比较简单，见图2，只有一个可以活动的不锈钢空心浮球，不仅是浮子又是阀板。

图2 传统式浮球疏水阀结构图

根据阿基米德原理，不锈钢浮球根据内部积存的液体实现升降，从而起到排水和阻气的作用。首先要先将疏水阀内的余气排出，利用疏水阀顶部的放气阀打开放气，此时内部的不锈钢浮球则根据重力落至底部，实现疏水阀关闭。将放气阀关闭，随着流入阀内的冷凝水增加，浮球的浮力大于自身重力及阀口作用力，此时球体浮起，慢慢打开阀口，冷凝水快速排出。随着冷凝水排出后，液面下降，浮球根据阀口泄压的情况，自动漂浮至阀口位置，直至到封闭阀口，此时浮球落至底部从而排水关闭。因浮球底部支点与阀口有一定空间，故形成一个水封，保证蒸汽或压缩空气无法泄漏。

传统浮球式蒸汽、压缩空气疏水阀由于没有设计定位和导向机构，密封钢球和压盘的每一次落点都具有随意性，密封钢球或密封压盘不能精准重复地落在同一位置。因此，当疏水阀运行一段时间以后，浮球和压盘与排水口嘴都会产生不同程度的磨损和变形，排水口嘴的轴线没有通过浮球中心，排水口嘴与浮球不是全向接触。故一般此类浮球阀的使用寿命较短。

自由浮球式疏水阀没有力的放大机构，且排水口嘴与球的重力方向存在一个夹角，如图3所示，实际获得的密封力小于球体重量。因此，自由浮球式疏水阀无法在高压蒸汽或大流量的蒸汽和压缩空气管道上使用。

图3 传统浮球疏水阀关闭的简图

自由浮球式疏水阀虽然设有过滤网，但是阀体容积太小，没有足够的空间储存水垢和细微铁锈颗粒，排水口嘴极易受水垢和细微铁锈颗粒的影响而失效。

2 新型浮球式疏水阀

在大多数情况下，蒸汽管道排水阀与压缩空气排水阀是不能共用的。但是，蒸汽、压缩空气的冷凝水在物理和化学性质上具有许多似的地方，它们都比较干净，一般情况下不具有腐蚀性，对制作疏水阀的零部件材料的抗腐蚀性要求都不高。常规的蒸汽冷凝水的温度一般≤300 ℃，压力≤2 MPa，高于这个温度和压力属于过热蒸汽，过热蒸汽的冷凝水一般都会作为余热利用。压缩空气的冷凝水的温度≤80 ℃，压力≤0.8 MPa。因此，虽然蒸汽和压缩空气在温度和压力上存在差异，但这点差异对于钢材的物理和化学性能影响不大。

2.1 外形结构及工作原理

新型疏水阀为二力杆平移式蒸汽、压缩空气疏水阀。由浮球、二力杆、铰链、排水口的导向杆、导向套、密封钢球、密封圈等组成一套运动和密封系统，见图4。

图4 新型疏水阀器剖面图

浮球的浮力是密封口开启的原动力，浮球的重量是密封口关闭的原动力。二力杆具有传递浮球运动和放大浮球重量作用，有了二力杆的放大作用，浮球就不需要做得很大，也不需要做得很重。浮球重力的放大倍数取决于二力杆力的方向与水平坐标的夹角，见图5。

图5 二力杆结构力学简图

根据平面汇交力系计算：

式中：P ——浮筒的重量；

P1——固定铰链支座水平分力；

P2——活动铰链支座水平分力；

α ——支座分力与x轴的夹角。

2.2 密封及排水设计

新型疏水阀的机构见图6。在疏水阀阀体内无冷凝水的情况下，由于浮球重量P的向下作用，二力杆的夹角β 和跨度L 呈增大趋势，这个增大的趋势使得密封钢球紧紧贴住排水口，这个贴紧的力P2=，当α 的值足够小时，P1=P2足够大。钢球运动灵活，密封可靠。

图6 新型疏水阀二力杆机构

在二力杆平移式蒸汽、压缩空气疏水阀阀体内的冷凝水逐渐增多，浮球的排水量等于其重量时，密封钢球处于开与关的临界状态，大于这个状态以后浮球上升力P 增大，二力杆的夹角β 和跨度L 减小，密封钢球在的力的作用下逐渐离开排水口，冷凝水越多，浮球的位置就越高，二力杆的夹角β 和跨度L 越小，密封钢球逐渐离开排水口越远，排水的流量也就越大。

2.3 疏水阀密封钢球精准定位设计

疏水阀的使用寿命取决于零部件的材料性能、设计结构的合理性、加工制作的精度等。在其它条件相同的情况下，密封钢球与排水口的精准定位是提高密封可靠性和延长使用寿命最关键的技术内容。传统的浮球式蒸汽管道疏水阀（无论自由浮球式还是杠杆浮球式），密封钢球的运动导向和钢球与排水口的精准定位的设计上都不完美，所以产品使用寿命都不长。二力杆平移式蒸汽、压缩空气疏水阀在上述方面做了改进。

图7 是空气疏水阀的开、关位置密封结构图。无论密封钢球在什么位置，它的轴线与排水口嘴的轴线都是重合的，任何时候都能重复精准对位。因此，密封可靠，使用寿命大大延长。由于密封钢球始终与三根均匀分布的轴向导轨线接触，不会被水垢等杂质所卡阻，动作灵活。

图7 新型疏水阀密封结构图

综上所述，浮球随着疏水阀容室的液位变化做自由上升和下降运动，无需导向，它仅仅是开、关疏水阀的动力源，通过二力杆带动密封钢球作水平往复运动。为了确保密封钢球与密封口精准定位，把排水口设计成带有导轨的定位套，定位套同时也是冷凝水的过水通道。密封钢球在定位套内作受控水平运动，每次运动的终点都能确保密封钢球的中心与排水口的轴线上重合，即便钢球有磨损也是均匀磨损，大大提升了密封可靠性，延长了疏水阀的使用寿命。