大型船舶低压蒸汽管网故障分析

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

目前主流民用类船舶设计中，船用供暖方案主要采用热水管网为全船供热，这种方案的优点：①安全，常压下热水温度不超过100 ℃，即使在热水泄漏的情况下也不会威胁到人员生命；②工况简单，流动介质维持为液态单相流体。针对单相流，其流体特性更容易分析，即管路中干管、支管中的压力、流量、流速分布更容易计算得出；③管网故障率小，相对于双相流，单相流动更为简单，该情况下管路、阀件故障率更小。但是其缺点是管网体积过于庞大。蒸汽管网不存在这样的问题，由于利用了水的汽化潜热，船用蒸汽管网规模、占用空间更小。缺点安全性更低，在蒸汽管网发生泄漏的情况下，有可能对人员造成伤害；蒸汽管网中的流动介质存在着汽液两相流的状态，该状态下的流动特性更为复杂，管路阀件故障率高，并且排查故障也更为困难[1]。针对大型船舶中低压(0.3～0.4 MPa)蒸汽管网(以下简称蒸汽管网)在使用过程中出现的故障，进行原理分析并提出解决途径。

1 蒸汽管网运行存在的主要问题

1)蒸汽系统水力工况不稳定、水锤现象明显。由于蒸汽管网的用户对蒸汽使用量、使用时间段、使用频率差异大，目前蒸汽管网中水力工况经常出现不稳定的情况。与陆用建筑供暖管网比较平直的情况不同，船上空间有限，蒸汽管路经常随着船舶结构或者设备弯曲，会有大量的弯头、U形弯等情况，造成流通阻力大，管路低点有凝水积存[2]。为用户间歇供汽时，水锤现象明显，管路存在振动情况，产生较大的噪声，严重影响管路和阀门的使用寿命，存在一定的安全隐患。

2)凝水管网回收畅通性差。当蒸汽管网中汽水分离器、疏水分离器等汽水分离设备效果变差或者失效时，会导致蒸汽管及凝水管内存在大量汽液两相流的情况。当蒸汽管路或用汽设备的疏水阀存在蒸汽泄漏时，会导致管内蒸汽量较大，凝水管路背压升高，凝水无法正常回收，引起局部凝水管网瘫痪。凝水管路中再次汽化的现象也容易导致凝水不畅。

3)蒸汽系统缺少相应的管路施工及工艺要求。大型船舶空间有限，蒸汽管网管路走向复杂，管路施工的坡度、取汽点和疏水点的设置、补偿器的设置等，都会直接影响系统水力工况的稳定性。目前建筑领域有明确的疏水点、管路坡度要求，船上蒸汽管网由于存在大量的弯曲，施工条件无法与陆用建筑领域相同，亟须有适用于船舶类的施工工艺指导。

2 故障发生的原因

蒸汽管路伴随着冷凝水，同时冷凝水中存在蒸汽二次闪蒸的情况，这是故障发生的主要原因。蒸汽提升管路会产生水锤现象。文献[3]中认为当蒸汽管路阀门关闭时，残余的蒸汽会形成凝水积存在管路中。当下次开启蒸汽阀门时，蒸汽会推动凝水进入提升管。当大部分凝水通过后，水流与管路之间会形成间隙，蒸汽冲过间隙并失去了对凝水的上推力，导致凝水下落撞击管路，形成水锤。文献[4]指出，在长距离疏水管道中经常存在局部突起的情况，某些管道的压力容易降低至水的汽化压力，从而形成气泡空穴，使前后水柱断裂形成“水柱分离”。当压力升高时，被分离的水柱由于汽泡空穴的溃灭产生撞击，产生的压力骤然上升形成很高的水锤压力，导致管道破坏。考虑到船上凝水管网中的凝水仍然有较高的温度(最高可达90 ℃)，在管路压力低处更容易产生二次汽化的现场，从而产生水锤[5-6]。针对疏水阀经常泄汽或失效等问题，文献[7]认为，疏水阀失效除了设备本身的原因，更主要的是系统设计和选择方面存在问题。文献[8]认为，疏水阀选型时，应根据疏水阀前压力、疏水阀后压力、疏水量、蒸汽性质、管道输水还是设备疏水、是否允许存在冷凝水积存来判断。同时，疏水阀的安装也影响到疏水效果[9]。疏水阀的选用要考虑其所处的工作环境和使用条件[10-11]。

3 解决蒸汽管网故障办法

针对船用蒸汽管网中存在的问题，提出以下解决方案。

1)合理设施疏水点。在蒸汽管道的最低点、上升管道底部、蒸汽管路的尾端、间歇运行的大用户进汽管最低点等设置疏水点。

2)设置一定的管路坡度。考虑到船上结构众多，应尽可能在蒸汽管长直水平段设置坡度，当汽、水逆向流动时，坡度应大于0.005，其他应大于0.003。

3)在蒸汽干管上设置集水槽。防止主管道上的凝结水直接被蒸汽带走，只有少量凝结水进入疏水管。

4)蒸汽管网系统开始运行时，应缓慢开启阀门，防止残存的冷凝水被高速蒸汽带走，无法进入疏水管。

5)合理选用疏水阀。针对大排量凝结水情况，建议采用杠杆浮球式疏水阀(机械型)；对于提升管、阀门附近等可能产生水锤的地方建议采用倒置桶型疏水阀(机械型)；考虑到船上空间有限，对于凝水量较小的管路可以建议热动力性疏水阀。

4 减少蒸汽管路中凝水积存方法的计算论证

由于船上蒸汽管路走向复杂，间歇性用户较多，考虑到船上的空间有限及成本控制，不易在每段管路低点、间歇性用户供气管路上都设置疏水阀，建议用户在不使用蒸汽时，在主蒸汽管路中仍然维持一定量的过热蒸汽，以维持蒸汽管路有足够的温度，避免蒸汽冷凝为凝结水，残存的冷凝水被流动的蒸汽及时带走。当进口过热蒸汽经过管路冷却后，蒸汽出口点恰好为饱和蒸汽点时，可认为该蒸汽量即为管路不产生凝水的最小蒸汽量。

单位管段蒸汽散热示意见图1。

图1 蒸汽管段散热示意

计算单位长度蒸汽管段的热损失。单位长度蒸汽管道总的传热系数与以下因素有关：蒸汽和管壁的对流换热系数、钢管管壁的导热系数、保温层(玻璃棉)的导热系数、外层材料(福勒斯)的导热系数、空气与管道的对流换热系数。单位长度蒸汽管道的总传热热阻为[12]

式中：h1为蒸汽与钢管内壁的对流换热系数，W/(m2·K)；d1为钢管内壁直径，m；d2为钢管外壁直径，m；d3为玻璃棉外壁直径，m；d4为福勒斯外壁直径，m；λ2为钢管导热系数，W/(m·K)；λ3为玻璃棉导热系数，W/(m·K)；λ4为福勒斯导热系数，W/(m·K)；h0为空气与管道间的对流换热系数，W/(m2·K)。

h1可根据公式计算得到

对于h0，认为蒸汽管路外空气的流动情况为圆柱体与常温空气自然对流工况，则

式中：Nu为努塞尔数；λ为空气的导热系数, W/(m·K)。

为简化模型，认为蒸汽管段从过热状态到出口状态为定压过程，则散热量即为焓差。

Δh=hin-hout

式中：hin为过热蒸汽进入管段时的焓值，kJ/kg；hout为蒸汽出管段时的比焓值，kJ/kg；Δh为定压蒸汽进出口比焓差，kJ/kg

单位长度蒸汽管路散热量

式中：m为蒸汽流量，kg/h；Ø为单位蒸汽管段热流量，W/m；tf为蒸汽定性温度，K；t0为空气温度，K。

从而可以得到蒸汽流量：

选取0.4 MPa表压(饱和蒸汽温度152 ℃)下不同温度的过热蒸汽、不同管径条件下所需的最小流量，计算结果见表1。

表1 单位长度蒸汽管段冷凝所需最小流量 kg/(h·m)

由表1可见，如要维持蒸汽管内不产生凝结水，160 ℃微过热的蒸汽所需要的流量较大，为了不浪费蒸汽，提高一定的过热蒸汽温度能有效地减少蒸汽量。考虑到蒸汽经过管路最终进入锅炉内，蒸汽管路的沿程散热损失即可认为是总的热能损失，由于蒸汽未被完全冷却为冷凝水，即汽化潜热未损失，所以维持间歇用户管路蒸汽的方案不会显著降低蒸汽管网的综合能量利用率。提高船用锅炉蒸汽出口温度会造成蒸汽经过用户换热后，可能存在没有被完全冷凝的情况，需要根据蒸汽耗量、蒸汽沿程长度综合考虑锅炉出口温度。

5 结论

对于目前大型船舶里的复杂蒸汽管网，通过合理设置疏水点、正确选用疏水阀，并保证一定的管路坡度来减少水锤、凝水不畅、疏水阀泄漏等问题。通过计算认为，对于间歇性用户，可以通过将进口饱和蒸汽提高为过热蒸汽的方法来减少管路中出现的凝水积存现象，减少蒸汽系统中疏水阀的配置。对于蒸汽进口温度提高值，需要综合用户蒸汽用量及管路沿程长度综合考虑。