自动排气定压补水装置在船舶空调循环水系统中的应用

王爱龙，于志强，陈 瑜

（无锡海核装备科技有限公司，江苏无锡 214000）

0 引言

自动排气定压补水装置主要由排气模块、定压模块、补水模块、控制模块及管路阀件等组成。自动排气定压补水装置适用于闭式循环系统，如热水采暖及空调系统水处理设施[1]，集自动排气、定压、补水及控制功能于一体，可有效解决水泵气蚀和气堵等问题，延长水泵运行寿命，提高系统运行效率，消除藻类及细菌的滋生，更加节能环保。

1 功能原理及特点

1.1 功能原理介绍

1）排气功能

装置通过排气模块高效地排除循环水系统中游离态的气体和溶解于水中的气体。

2）定压功能

装置通过定压罐实现系统的定压功能，当系统水温变化或微漏引起水的体积变化时，利用气压罐内气体的压缩性的缓冲作用，自动稳定系统压力在预设的范围内[2]。

3）补水功能

当定压罐不能满足定压的要求时，装置通过补水模块根据定压取样点压力的变化，比对设定压力，自动对系统补水。

4）控制功能

控制模块采用PLC控制器为控制核心，配有触摸屏操作显示，通过系统压力、液位、真空泵及补水泵运行状态等信号实时采集和外部控制信号快速、准确地响应，在PLC内部进行运算和逻辑控制，对自动排气定压补水装置控制和保护，使系统安全稳定运行。系统功能原理如图1所示。

图1 系统功能原理图

1.2 排气模块

排气模块采用真空喷射排气技术，其工作原理是在不改变水温的情况下，将系统中的一部分液体置于真空环境下，液体中的游离气体和溶解气体就会释出并与系统分离，之后这些脱气的、具有吸收性的液体将被重新注回系统参加循环，会吸收系统中已经存在的游离气体和溶解气体，以再次达到平衡。这样的过程循环往复，系统中几乎所有的气体将全部被释放出了。

系统在日常运行阶段，考虑到更多的是溶解在水中的气体，采用真空排气装置[3]。根据亨利定律：在一定的压力下，气体在水中的溶解度与温度成反比，即温度升高，气体在水中溶解度降低。在一定的温度下，气体在水中的溶解度与压力成正比，即压力降低，气体在水中溶解度降低。使用真空喷射式排气装置进行脱气，它能够快速有效地去除所有游离气体和溶解气体，避免系统的氧腐蚀，延长设备的使用寿命。

真空排气循环包括下面几个阶段，如图2所示。

1）抽真空

水泵启动开始抽真空，真空喷管的进口保持关闭。

2）雾化

真空喷管进口开启，系统中的循环水通过管路进口，以雾状形式喷射到真空管中。

由于雾状的水表面积增大，进入真空环境中，水中溶解的气体迅速析出，从而达到排气的效果。真空喷管中的经过排气的水通过水泵返回系统管路。

3）排气

水泵停止运行。系统持续将水喷入真空喷管。喷管内水位上升，从水中分离出来的气体通过排气阀排到系统外界。

4）待机

当气体被排除之后，设备保持待机状态，直到下一次排气循环开始。

图2 抽真空-雾化-排气-待机过程示意图

图2 抽真空-雾化-排气-待机过程示意图（续）

1.3 定压模块

定压模块通过定压罐而实现，定压罐在循环供水系统中起到稳定压力作用，防止系统压力忽高忽低，减少补水泵频繁启动，还可以用来吸收系统因阀门、水泵等开和关所引起的水锤冲击，以达到压力在较小范围内的动态平衡。定压罐是由钢质外壳、橡胶气囊内胆构成的储能器件，橡胶气囊把水室和气室完全隔开。当系统压力降低时，预充氮气的压力将气囊里的水挤入系统，减缓系统压力降低，起到稳压作用；当系统压力升至高于气室里氮气的压力时，水进入膨胀罐的气囊中，此时气囊膨胀，吸收压力，防止系统压力急剧上升，同样起到稳定系统压力作用。

1.4 补水模块

补水模块是由补水泵及各类阀门和阀件组成。由于系统渗漏或其他原因造成系统缺水导致系统的压力低于设定值时，启动补水泵将水箱中的水或系统外的水强制补进系统中直至系统压力达到要求补水泵即停止运行。主要目的是：确保系统内循环水不倒空、不汽化、不超压，并保持有一定的压力，保证系统的稳定正常运行。

1.5 控制模块

控制模块的作用：利用各种传感器得到的各种信号传输至控制器，再通过控制器传出的控制信号控制补水泵的启、停及系统的故障报警。

2 结构设计及特点

由于船舶空间较小，所有设备都要紧凑、合理地进行布置，因此在设计时考虑不同船型和空间位置特点，将以上模块自由组合或单独成块设计，同时还要考虑减震措施，以满足船舶摇摆、倾斜和冲击等环境及空间要求。

2.1 排气＋定压＋补水＋控制模块组合

这种组合是集排气、定压、补水及控制功能于一体，所有模块集成在一个公共底座上，所有对外接口位于同侧，方便安装、集中管理控制，结构如图3所示。

图3 排气＋定压＋补水＋控制组合结构图

排气模块主要由真空泵、真空脱气罐、电动阀、过滤器和截止阀等通过管路连接而成，为提高排气效率，引水口和出水口之间的距离不小于500 mm。补水模块主要由2台补水泵、补水水箱、加水泵及管路阀门组成。采用补水泵补水方式[4]，当系统压力传感器检测到压力低于设定值时，通过启动补水泵将水箱中的水强制补水系统，直至压力达到系统设定值停止补水。其中，补水箱设液位计及高、中、低3个位液位开关，低液位启动加水泵向水箱补水，中液位停止加水，高液位报警提示。定压接口和补水接口一般接到主系统的回水管路上，原理如图4所示。

图4 自动排气定压补水系统原理图

2.2 排气＋控制模块组合

该组合只有排气和控制功能，由于组合体积较小，适用于空间比较紧凑的场合，结构见图5，原理见图6。

2.3 定压＋补水＋控制模块组合

该组合具有定压、补水和控制功能，定压采用通用膨胀罐的形式，补水不同于以上水泵强制性补水，而是通过1路补水管路，管路上设有电磁阀、自动补水阀、压力传感器（或压力控制器）、过滤器以及截止阀等附件，外部管路接口接带有水压压力的接口，如船用压力水或生活自来水，必须提供高于系统正常运行的压力。结构见图7，原理见图8。

以上是不同模块的组合形式，也可根据实船的实际情况进行其他方式的组合。

图5 排气＋控制组合结构图

图6 排气＋控制组合原理图

图7 定压＋补水＋控制组合结构图

图8 定压＋补水＋控制组合原理图

3 其他特点对比分析

3.1 真空脱气排气与常压排气的区别

常压排气是利用常压罐进行排气的。常压罐外部为基本钢罐，内置为丁基橡胶隔膜内胆，隔膜内胆顶部设自动排气阀，罐与隔膜之间的空间与大气相通，因此称为常压罐或无压罐[5]。在正常使用时，系统里相对较高压力的循环水先进入常压罐隔膜内胆内，因隔膜内因压力降低，水中的气体自然析出，通过顶部的排气阀排出，隔膜内的水再通过水泵重新进入系统，往复循环达到排气的目的。常压下，排气只能排出系统中游离气泡的气体，但不能完全排出溶解在水中的气体。而真空喷射排气则可以解决溶解在水中的气体和游离态的气泡，特别是氧气，降低其对系统管网及设备形成氧腐蚀，延长设备使用寿命，尤其是在船舶领域，盐雾、霉菌等因素，环境较为恶劣，真空排气装置显得尤为重要。

在系统在进行初次加水时，在管网最高点或局部高点容易形成气体团聚现象，故应该此处设普通机械式自动排气阀，方便对循环水系统进行排气。

3.2 补水方式的选择及其注意点

自动补水仅对系统因渗漏或其他原因造成少量缺水时进行补充，其并不适用于系统初次加水或系统出现较大漏水现象时来进行补水。图3采用了补水泵补水的方式，补水泵采用1用1备，设备上设置1个补水水箱，方便系统补水。而在实际使用过程中，可根据船型及其空间位置要求，补水水箱可不设或单独设置。补水形成也可以不采用补水泵进行补水，而采用自动补水阀进行补水控制（见图8），但外部补水管网必须有足够的压力，否则无法进行补水，如外部管网压力较大时候，则需要设减压阀，否则会对系统管网及设备造成损坏。

4 结论

本文介绍了自动排气定压补水装置在船舶空调循环水及热水采暖系统中的应用，闭式循环水中不可避免都会存在一些气体，这些气体一般以3种形式存在：1）气体以气团的形式积聚在系统的高点或局部高点；2）气体以游离气泡形式存在随系统循环水运动；3）气体溶解在水中并随系统循环运动。这些气体会对系统带来不利影响，积聚的气体会产生气阻，造成系统阻力不平衡，系统循环不畅，产生噪音、气蚀和气堵，可能降低水泵的有效扬程和运行效率，减少设备及管网的使用寿命。针对不同形式采用不同的排气方式，都能有效解决以上存在的问题。同样，也可采取其他形式的定压和补水方式来保证系统更加高效、稳定、安全、可靠地运行。