从通气集水罐泵送冷凝水

泵送术语的基础介绍，包括蒸汽压力和静压头。涵盖电动离心泵和机械冷凝水泵的运行、应用和比较优势，以及泵和泵排放管的选型示例。

泵送术语

蒸汽压力——此术语用于定义液体变为蒸汽时对应温度的压力。换句话说，它是液体沸腾的压力。

• 在100°C时，水在大气压下沸腾。
• 在170°C时，水在7 bar g压力下沸腾。
• 在90°C时，水在0.7 bar a压力下沸腾。 蒸汽压力是泵送冷凝水时一个非常重要的考虑因素。冷凝水通常在接近其沸点的温度下形成，这可能对离心泵造成困难。这是因为离心泵在叶轮中心或入口处有一个较低压力区域。这产生了吸入效应，将液体吸入泵中。虽然压降很小，但如果冷凝水已经非常接近其蒸汽压力，部分液体将以小气泡的形式闪蒸为蒸汽。这些蒸汽气泡占据的体积比等质量的水大得多，并且具有很高的表面积与质量比。 当气泡沿叶轮流道向其外缘移动时，它们会经历不断增大的压力。在这一过程的某个点，蒸汽压力被超过，蒸汽气泡以相当大的力量内爆。这称为”气蚀”，内爆既产生噪声又具有破坏性。噪声类似于铲碎石的声音，内爆最终会损坏泵的内部部件。 因此，建议使用专门为该任务制造的电动泵来泵送冷凝水，并且在大气系统中冷凝水温度不应超过98°C。 某些泵的限制温度低至94°C或96°C，取决于泵的设计、转速和集水罐相对于泵的高度。 扬程（h）——扬程是用于描述流体在给定点处势能的术语。有几种方法可以测量扬程：压力扬程、静扬程和摩擦扬程。压力扬程和静扬程本质上是相同的，但往往用不同的单位测量。 压力扬程以压力单位测量，如帕斯卡或bar g；而静扬程以高度表示，通常以米（或米水头）为单位。 对于水，10米静扬程大约等于1 bar g的压力扬程（见图14.4.1）。 压力扬程（hp）——压力扬程是所讨论点处的流体压力。例如：需要一台泵排放水克服30米静扬程，大约等于3 bar g压力扬程。泵从1米静扬程处充水，等于0.1 bar g压力扬程。（见图14.4.2）。 静扬程（hs）——静扬程是基准面以上流体的等效垂直高度。以下示例解释了静扬程的度量。示例：图14.4.2中的泵入口承受1米的静扬程（称为吸入或充水扬程），排放克服30米的静扬程（称为静排放扬程）。注意在此情况下，被泵送的水位于泵入口上方（这种情况称为灌注式吸入）。

净静扬程——这取决于泵是离心式泵还是容积式机械泵。 对于电动离心泵（图14.4.3），吸入扬程施加的压力始终存在于泵中。泵需要克服的净静扬程是吸入扬程与排放扬程之差。

对于机械容积泵（图14.4.4），吸入扬程仅在充水周期内提供充水所需的能量。在泵送过程中它不存在于泵体内，对泵需要克服的排放扬程没有影响。净静扬程就是排放扬程。

摩擦扬程（hf）——摩擦扬程（或摩擦压头损失）更准确地定义为使流体通过管道所需的能量。这在模块10.2”管道与管道选型”中有更详细的讨论。 压力损失可以使用第4单元”流量测量”和第10单元”蒸汽分配”中所示的程序计算，但更通常从将液体流量、管道直径和流速相关联的表格中查找。精确地说，各种管道配件遇到的流动阻力也必须考虑在内。表格可用于计算各种管道配件所施加的等效直管长度。 管道配件的这个额外”等效长度”随后加上实际管道长度以得到”总等效长度”。然而在实践中，如果管道尺寸正确，管道配件通常不会超过实际管道长度的额外10%。 可以应用的一般规则是： 总等效长度（le）= 实际长度 + 10% 在大多数情况下，蒸汽系统工程师将设计一个使用专利制造泵装置的系统，其中已内置适当的系数。考虑到这一点，本单元将使用10%作为计算摩擦压力损失的等效长度。 这种摩擦压力损失在很大程度上取决于管道中水的流速。简单来说，摩擦压力损失的增加与流速的平方成正比。 表格可用于给出各种流量和管道直径下每米管道的压头损失。

表14.4.1 黑钢管中的水流量（kg/h）

示例14.4.1 一条泵送冷凝水管线上的50 mm排放管垂直上升29米到达一个通气罐。管线长150 m，泵送速率为5000 kg/h水。问：(A)摩擦引起的压力扬程损失（摩擦扬程）是多少，(B)总排放扬程是多少？ A - 计算摩擦引起的压力扬程损失（摩擦扬程） 总等效长度（le）= 150 + 10% = 165米 从表14.4.1中可以看出，50 mm管道输送5004 kg/h水时的压力降为1.0 mbar/m。本示例中的流量略小，虽然可以通过插值得到更准确的估计，但取压力降为1 mbar/m。 因此摩擦引起的压力扬程损失为： 165米 x 1 mbar/m = 165 mbar（0.165 bar） 取1 bar等于10米水头，等效摩擦扬程损失为： 0.165 bar x 10 m/bar = 1.65米。 B - 总排放扬程 总排放扬程（hd）——泵需要克服的总排放扬程hd是三个分量之和，如公式14.4.1所示：

电动离心冷凝水泵

泵的运行 进入泵的液体被引导到旋转叶轮叶片的中心或入口处。液体在向外缘移动的过程中获得速度。 泵的应用 电动泵非常适合需要输送大量液体的应用。 电动泵通常组装成一个单元，通常称为冷凝水回收单元（CRU）。CRU通常包括： 一个集水罐。 由探头或浮子操作的控制系统。 一台或两台泵。 在计算CRU排放管的摩擦损失时，必须考虑泵送速率而不是返回集水罐的冷凝水速率。 在双泵单元上，还可以使用级联控制系统，允许任一台泵选为主泵，另一台为备用泵，以便在返回单元的冷凝水量超过一台泵的处理能力时提供备用。这种控制布置还在一台泵无法运行时提供备用；集水罐中的冷凝水液位将升高并启动备用泵。对于级联型单元，排放管的摩擦损失根据CRU中两台泵的最大泵送速率计算。 务必遵循制造商关于排放泵送速率的文献。不这样做可能导致泵排放管尺寸不足。

电动冷凝水回收单元的选型 选择电动冷凝水回收单元需要知道：

• 到达集水罐的冷凝水量（运行负荷下）。
• 冷凝水温度。不得超过制造商规定的额定值以避免气蚀，但制造商通常有不同的叶轮以适应不同的温度范围，例如90°C、94°C和98°C。
• 泵必须克服的总排放扬程——由现场条件确定。
• 泵排放速率，用于确定回水管尺寸——需要正确读取制造商数据来确定此项。 示例14.4.2 电动冷凝水回收单元排放管选型 条件： 冷凝水温度 = 94°C 需处理的冷凝水 = 1 000 kg/h 静提升高度（hs）= 30 m 管道长度 = 150 m 冷凝水背压 = 仅摩擦损失（hf） 可使用制造商的选型图表（示例见图14.4.7）初步选择冷凝水回收单元。从图表中，CRU1应为初步选择，前提是排放管摩擦损失在可接受范围内。

从图14.4.7的图表中可以看出，CRU1的实际额定处理能力为在35米最大排放扬程下处理3 000 kg/h冷凝水。 冷凝水回水管尺寸按所需排放扬程下的最大泵送速率确定，如下例所示： 最大泵送速率 = 3 000 kg/h 必须使用这个数字3 000 kg/h来确定排放管尺寸。 现在可以计算回水管的最佳尺寸。 实际管道长度 = 150 m 管道等效长度 = 150 m + 10% = 165 m 估算管道中的摩擦损失（hf） 对泵送排放管进行选型时，通常好的做法是从100到200 Pa/m的任意压力降开始摩擦损失计算。 从压力降表14.4.2（如下摘录）中可以看出，对于3000 kg/h的流量和100至200 Pa/m之间的压力降，40 mm排放管即可满足要求。

表14.4.2摘录

从表14.4.2可以插值得到，3 000 kg/h的流量对应于40 mm管道的压力降为128 Pa/m，

现在可以计算40 mm管道的摩擦压头损失。 摩擦压头损失（hf）= 128 Pa/m x 165 m hf= 21000 Pa hf= 约2.1米 确定总排放扬程 因此泵需要克服的总排放扬程为hs + hf = hd，其中： hs= 30米静提升高度（已知） hf= 2.1米 hd= 30 m + 2.1 m = 32.1米 32.1米的排放扬程需要对照CRU制造商的选型图表进行检查，确认该单元能够克服此扬程进行泵送。从图14.4.7可以看出，该CRU实际可克服35米扬程进行泵送。如果超过了35米的设计扬程，则选择方案是使用更大的管道重新计算，或选择提升能力更大的CRU。 确定排放管尺寸的替代方法 实际静扬程（hs）为30 m，CRU设计扬程为35 m，则有5 m的扬程可用于管道摩擦损失（hf）。可以安装较小直径的管道并承受较大的摩擦损失。然而，设计者必须将此初始成本节约与克服较大扬程所需的额外运行功率（从而成本）进行权衡。 流速也需要对照低于100°C泵送水的典型最大允许值约3 m/s进行检查。 表14.4.2将显示，如果选择下一个较小尺寸的管道（32 mm），输送3000 kg/h的单位摩擦损失（hf）插值为286 Pa/m，流速约1 m/s，低于3 m/s，因此适合应用。 hf为286 Pa/m x 165 m = 47 190 Pa（或4.72 m） 因此，总排放扬程（hd）= hs + hf hd= 30 + 4.72 m hd= 34.72 m 结论是32 mm管道可以使用，因为CRU1泵可以承受高达35 m的总排放扬程。然而，从实用角度来看，将系统设计得如此接近其极限可能不太合理，在此情况下，40 mm管道可能是更好的解决方案。

表14.4.2 全满水管线典型摩擦损失表（节选）（流量单位：kg/h）

机械（容积式）冷凝水泵

泵的运行 机械泵由一个壳体组成，冷凝水通过重力流入壳体。壳体内含一个浮子机构，操作一组换向阀。 冷凝水被允许流入壳体，使浮子上升。当浮子达到一定水平时，它触发排气阀关闭和进汽阀打开，允许蒸汽进入并对壳体加压以推出冷凝水。冷凝水液位和浮子都下降到预设点，此时进汽阀关闭，排气阀重新打开，允许泵壳体重新充满冷凝水。 止回阀安装在泵的入口和出口处，以确保通过泵的正确方向流动。 泵的循环动作意味着需要一个集水罐在泵排放期间储存冷凝水（见图14.4.8）。

泵的应用 通常，机械泵处理的冷凝水量小于电动泵。然而，在以下情况下它们特别有价值：

• 高温冷凝水会导致电动泵气蚀。
• 冷凝水处于真空状态。
• 机房空间宝贵。
• 低维护是关注重点。
• 环境危险、潮湿或有水。
• 电力供应不便。
• 冷凝水必须从单个温控设备中排出，该设备可能受到失速条件影响（详见第13单元”冷凝水排放”）。 与电动泵一样，容积式机械泵有时（但不总是）被指定为成套冷凝水回收单元。机械冷凝水回收单元将包括一个冷凝水集水罐和泵单元。不需要额外的控制系统，因为泵是全自动的，仅在需要时运行。这意味着泵是自调节的。 对于机械泵，随着集水罐的充满和排空，泵循环运行。泵排放时的瞬时流量通常可高达充水速率的六倍，必须使用此瞬时排放流量来计算排放管的尺寸。 始终参考泵制造商关于泵和排放管选型的数据。典型的机械泵选型图表如图14.4.10所示。 机械冷凝水泵选型 选择机械冷凝水泵需要以下信息： 到达集水罐的最大冷凝水流量。 可用于驱动泵的蒸汽或空气动力压力。选择蒸汽还是空气取决于应用和现场情况。 集水罐和泵之间可用的充水扬程。 冷凝水系统的总排放扬程。 机械泵的选型方法因制造商而异，通常基于经验数据，转化为系数和列线图。以下示例给出了机械泵选型的典型方法。（管道长度小于100 m，因此忽略摩擦损失）： 示例14.4.3 如何选择机械冷凝水泵

机械冷凝水泵排放管选型 当排放管长度低于100 m时，机械泵的排放管通常可以取与泵出口相同的尺寸。管道的摩擦阻力相对于提升高度和冷凝水回水压力造成的背压较小，通常可以忽略。对于超过100 m的排放管，一般规则是选择比泵出口止回阀大一个尺寸的管道，但对于这样的长管线，应按示例14.4.4所示的方法检查尺寸。 超过100米的排放管线 在超过100 m的排放管上，和/或冷凝水流量接近泵能力时，建议检查管道尺寸以确保总摩擦损失（包括惯性损失）不超过泵的能力。惯性损失在示例14.4.4中说明。 考虑与示例14.4.3相同的冷凝水泵送要求，但排放管长250米。 示例14.4.4 250 m长排放管选型（参考图14.4.10）：

惯性损失对超过100米泵排放管线的影响。 在超过100 m的管线上，相当大量的液体将保持在泵排放管内。泵排放开始时这部分液体的突然加速会吸收部分泵能量，并导致大量的水锤和噪声。需要在计算中考虑这一点，将示例14.4.4中允许的60 000 Pa摩擦损失减少50%，即：

（这是基于泵排放的平均时间约为总充水和排放循环时间的25%。）

因此，泵的瞬时冷凝水排放速率 = 10 400 kg/h 总允许摩擦损失 以109 Pa/m的摩擦阻力，表14.4.2显示需要65 mm（最小）管道才能给出10 400 kg/h的可接受流量。实际上，表14.4.2表明65 mm管道将在109 Pa/m摩擦阻力下通过10 620 kg/h。 通过沿表中”65 mm列”向上查看，可以看出通过插值，10 400 kg/h的流量在65 mm管道中实际引起的摩擦损失为105 Pa/m。 满负荷泵和较长管线 在示例14.4.4中，图14.4.10显示在5.2 bar g动力压力和26米排放扬程下泵的最大充水速率为2600 kg/h。如果充水速率接近此最大值（例如2 500 kg/h），则用于摩擦损失的排放扬程将更少。对于相同尺寸的DN50泵，这将意味着需要更大的排放管线，如示例14.4.5所示。 示例14.4.5 考虑与示例14.4.4相同的DN50泵，但冷凝水充水速率为2 500 kg/h。现在确定排放管线的尺寸。

以2500 kg/h的充水速率和5.2 bar的蒸汽压力选型，参考图14.4.11，对于DN50泵，2 500 kg/h的冷凝水充水速率对应的最大背压约为27 m，因此在此情况下：

排放管尺寸必须根据泵出口的瞬时流量确定，取为4倍最大泵送速率。如前所述，管道按4 x 2 600 kg/h = 10 400 kg/h、摩擦损失18 Pa/m选型。

表14.4.2显示这将需要100 mm的管道直径才能使泵在其能力范围内运行。 虽然该系统在此布置下肯定可以工作，但考虑更大的泵配合更小的管线可能更经济。 考虑更大泵和更小管线 考虑与示例14.4.4相同的泵送条件，但使用更大的DN80泵。由于更大的单元可以克服更高的排放扬程进行泵送，可以使用更小的排放管线。

图14.4.12显示，DN80泵在相同条件（5.2 bar g动力蒸汽和2500 kg/h流量）下允许的最大排放扬程为35 m。

通过插值，表14.4.2显示80 mm管道将在160 Pa/m摩擦损失下容纳20160 kg/h，流速约1 m/s。

在此情况下，较大的DN80泵将舒适地允许比小泵小两个尺寸的管道，流速约0.5 m/s，在推荐范围内。因此80 mm管道适合DN80泵。实际上，65 mm管道也是可以接受的，因为我们已经允许了50%的惯性损失，但连接到DN80泵可能看起来有点奇怪。 注：DN80泵的成本比DN50泵高约10%，但额外成本将由长排放管上的安装成本差异来证明；在此情况下意味着80 mm和125 mm管道之间的成本差异；安装、配件和保温。 冷凝水流速 公式14.4.2可用于检查冷凝水流速。

在公式14.4.2中，水的比容取为0.001 m³/kg。该值随温度略有变化，但不足以对冷凝水管线产生显著影响。

可以检查示例14.4.4中80 mm管道的冷凝水流速。 示例14.4.4

从表14.4.3可知，80 mm内径管道的最大流速为1.84 m/s。 表14.4.3 管道内径最大推荐流速（基于最大摩擦损失450 Pa/m）

长排放管线的最佳实践

长排放管内运动流体的动量可能在机械泵完成其排放冲程后使水保持运动一段时间。 当排放管中的水停止运动时，管线中的背压将试图逆转水的初始流动，朝向出口止回阀方向。结果是水锤引起的噪声和管道移动，这可能既令人惊慌又严重。在距泵一个管道长度的排放管中安装另一个止回阀通常可以缓解此问题。

如果有任何选择，最好在泵后立即提升到允许重力下降到管线末端的高度（图14.4.14）。如果下降距离足以克服管道的摩擦阻力（表14.4.4），则泵上唯一的背压就是初始提升产生的背压。可以在提升顶部安装真空破坏器，不仅有助于沿下降管线的流动，还可以防止冲程结束时的任何回流趋势。 如果下降管线在沿线任何位置必须下降以克服障碍物，则在最高点安装自动排气阀将减少气锁并有助于绕过障碍物的流动，见图14.4.14。

表14.4.4 克服摩擦损失的管道坡降

*1.75米内降25 mm相当于1:70的坡度。

或者，通过图14.4.15所示的布置可以完全消除水平管段引起的任何背压问题，其中泵简单地将冷凝水提升到一个通气缓冲罐。从缓冲罐出来的管道应按照表14.4.4的要求下降。

通气泵、泵送疏水阀和泵-疏水阀装置

通向大气的泵的排放管尺寸按泵的排放速率确定。 通过闭环应用中的泵送疏水阀和泵-疏水阀组合的冷凝水通常处于较高的压力和温度下，排放管中会形成闪蒸蒸汽。 因此，泵送疏水阀和泵-疏水阀组合的排放管尺寸按满负荷时的疏水条件而不是泵送条件确定，因为管线必须按能处理闪蒸蒸汽来确定尺寸。按闪蒸蒸汽选型将确保管线也能处理泵送条件。