蒸汽干管与排水

蒸汽分配系统的结构、布局和运行问题，包括冷凝水排放点和支管、避免水锤以及使用汽水分离器和过滤器进行蒸汽调节。

蒸汽干管与排水简介

沿高温蒸汽干管的长度方向，一定量的热量将传递到环境中，这取决于第2章”蒸汽工程与传热”中确定的参数，并汇总在公式2.5.1中。

对于蒸汽系统，这种能量损失代表效率低下，因此管道需要保温以限制这些损失。无论保温质量或厚度如何，总会存在一定程度的热损失，这将导致蒸汽沿干管长度方向冷凝。

保温的效果在模块10.5中讨论。本模块将集中讨论不可避免的冷凝水的处理，如果不排除，将积聚并导致腐蚀、侵蚀和水锤等问题。

此外，当蒸汽夹带水滴时会变湿，降低其传热潜力。如果允许水积聚，管道的有效横截面积将减小，蒸汽速度可能增加超过推荐限值。

管路布置

良好的工程实践是，只要可能，干管应安装为沿蒸汽流动方向不低于1:100的坡度（每100 m管线下落1 m）。此坡度将确保重力以及蒸汽流协助将冷凝水推向排放点，使冷凝水能够安全有效地排除（见图10.3.1）。

排放点

排放点必须确保冷凝水能够到达蒸汽疏水阀。因此必须仔细考虑排放点的设计和位置。

还必须考虑停机时（蒸汽流停止时）蒸汽干管中残留的冷凝水。重力将确保水（冷凝水）沿倾斜管路流动并在系统低点积聚。因此应在这些低点安装蒸汽疏水阀。

在大型蒸汽干管中，启动条件下形成的冷凝水量足以要求在30 m至50 m的间隔设置排放点，以及在自然低点（如上升管路底部）设置排放点。

在正常运行中，蒸汽可能以高达145 km/h的速度沿干管流动，拖拽冷凝水随之运动。图10.3.2显示了一根15 mm排放管直接连接到干管底部。

虽然15 mm管道有足够的容量，但它不太可能捕获沿干管高速移动的大量冷凝水。这种布置将无效。

一种更可靠的冷凝水排除方案如图10.3.3所示。对于100 mm及以下的蒸汽干管，疏水管应距集水坑底部至少25至30 mm，对于更大的干管至少50 mm。这在下方留出空间供污垢和水垢沉淀。

集水坑底部可安装可拆卸法兰或排污阀用于清洁。

推荐的排放集水坑尺寸见表10.3.1和图10.3.4。

表10.3.1 推荐排放集水坑尺寸

水锤及其影响

水锤是冷凝水以高速撞击管路附件、设备和机械时产生的噪声。这有以下几方面影响：

• 由于冷凝水速度高于正常值，动能耗散高于通常预期。
• 水是致密且不可压缩的，因此气体遇到障碍物时的”缓冲”效果不存在。
• 水中的能量耗散在管路系统中的障碍物（如阀门和附件）上。

水锤的迹象包括撞击声和可能的管道运动。

在严重情况下，水锤可能以近乎爆炸的效果使管路设备破裂，导致活蒸汽从破裂处泄漏，造成极其危险的情况。

良好的工程设计、安装和维护将避免水锤；这远比通过选择材料和设备压力等级来试图遏制水锤的做法要好。

通常，水锤源发生在管路的低点（见图10.3.6）。这些区域的原因是：

• 管线下垂，可能是由于支架失效。
• 错误使用同心异径管（见图10.3.7）- 应始终使用底部为平面的偏心异径管。
• 错误安装过滤器 - 应将滤篮安装在侧面。
• 蒸汽管线排水不足。
• 错误操作 - 启动时在管道冷态下过快打开阀门。

总结来说，通过以下措施可以最大限度减少水锤的可能性：

• 安装蒸汽管线时沿流动方向设置渐进坡度，并在低点定期设置排放点。
• 在所有蒸汽疏水阀之后安装止回阀，否则停机时冷凝水可能流回蒸汽管线或设备。
• 缓慢打开隔离阀，使系统中可能存留的冷凝水在被高速蒸汽夹带之前平缓流过排放疏水阀。这在启动时尤为重要。

支管通常比蒸汽干管短得多。因此，作为一般规则，只要支管长度不超过10米，且干管压力足够，可以按25至40 m/s的速度选型管道，而不用担心压降。

模块10.2中的表10.2.4”不同速度下饱和蒸汽管路容量”在此工作中很有用。

支管连接

从干管顶部取的支管连接输送最干燥的蒸汽（图10.3.8）。如果从侧面取连接，或者更糟从底部取（如图10.3.9(a)），它们会接受来自蒸汽干管的冷凝水和杂质。结果是湿蒸汽和脏蒸汽到达设备，将在短期和长期内影响性能。

图10.3.9(b)中的阀门应尽可能靠近取汽口布置，以最小化支管中存留的冷凝水，如果设备可能长时间停机。

下降管段

支管中也会出现低点。最常见的是靠近隔离阀或控制阀的下降管段（图10.3.10）。冷凝水可在关闭阀的上游侧积聚，然后在阀门再次打开时随蒸汽向前推动——因此在过滤器和控制阀之前设置带蒸汽疏水阀的排放点是良好做法。

上坡地形与排水

有许多情况下蒸汽干管必须穿越上坡地形，或者场地的地形使得以前提出的1:100坡度铺设管道不切实际。在这些情况下，必须促使冷凝水顺坡向下流，逆蒸汽流动方向。良好做法是以不超过15 m/s的低蒸汽速度选型管道，管线坡度不低于1:40，并在不超过15米的间隔设置排放点（见图10.3.11）。

目标是防止管道底部的冷凝水膜厚度增加到水滴能被蒸汽流夹带的程度。

汽水分离器

现代组装式蒸汽锅炉相对于其尺寸具有较大的蒸发能力，且应对快速变化负荷的能力有限。此外，如第3章”锅炉房”中讨论的，其他情况如……

• 错误的化学给水处理和/或TDS控制
• 设备其他部分的瞬态峰值负荷 ……可能导致汽水共腾和锅炉水夹带进入蒸汽干管。

如图10.3.12剖面图所示的汽水分离器可安装用于去除这些水分。

一般规则是，只要管路中的速度在合理范围内，汽水分离器将按管路尺寸选用。（汽水分离器在模块12.5中有详细讨论）

汽水分离器可去除管壁上的水滴和悬浮在蒸汽本身中的水雾。通过在蒸汽干管中安装汽水分离器可以消除水锤的存在和影响，这通常比增大管道尺寸和制造排放集水坑更经济。

建议在控制阀和流量计之前安装汽水分离器。在蒸汽干管从室外进入建筑物时安装汽水分离器也是明智的。这将确保外部分配系统中产生的任何冷凝水被排除，建筑物始终获得干燥蒸汽。在建筑物内蒸汽使用受到监测和计费的情况下，这同样重要。

过滤器

当新管路安装时，铸造砂、填料、密封材料、切屑、焊条甚至螺母和螺栓等碎片意外残留在管道内的情况并不少见。对于旧管路，会有锈蚀；在硬水地区，会有碳酸盐沉淀。偶尔，碎片会脱落并随蒸汽沿管路移动，停留在蒸汽使用设备内部。这可能阻止阀门正确开启/关闭。蒸汽使用设备也可能因拉丝而永久受损——高速蒸汽和水通过部分打开的阀门的切割作用。一旦发生拉丝，即使清除污垢，阀门也永远不会实现紧密关闭。

因此，在每个蒸汽疏水阀、流量计、减压阀和调节阀前安装管路尺寸的过滤器是明智的。图10.3.13所示为典型过滤器的剖面图。

蒸汽从入口”A”通过穿孔滤网”B”流向出口”C”。蒸汽和水可以容易地通过滤网，但污垢不能。阀帽”D”可以拆卸，允许滤网定期抽出清洁。也可以在阀帽”D”上安装排污阀以便于定期清洁。

然而，如前所述，过滤器可能是湿蒸汽的来源。为避免这种情况，过滤器应始终以滤篮朝向侧面的方式安装在蒸汽管线中。

过滤器和滤网的详细说明在模块12.4中讨论。

如何排放蒸汽干管

蒸汽疏水阀是从蒸汽分配系统中排放冷凝水的最有效和高效的方法。

所选蒸汽疏水阀必须适合系统的以下方面：

• 压力等级
• 容量
• 适用性 压力等级

压力等级很容易处理；蒸汽疏水阀处的最大可能工作压力要么已知，要么应予以确定。

容量

容量，即需要排放的冷凝水量，需要分为两类：启动负荷和运行负荷。

启动负荷

首先，管路需要升温至工作温度。这可以通过计算确定，已知管路和附件的质量和比热。或者，可以使用表10.3.2。

• 该表显示了将50 m蒸汽干管升温至工作温度时产生的冷凝水量；50 m是推荐的排放点之间的最大距离。
• 所示数值以公斤为单位。要确定平均冷凝速率，必须考虑该过程所需的时间。例如，如果启动过程需要50 kg蒸汽，并且需要20分钟，则平均冷凝速率为：

• 使用这些容量对蒸汽疏水阀进行选型时，值得注意的是启动过程开始时干管中的压力仅略高于大气压。然而，冷凝水负荷通常仍在DN15”低容量”蒸汽疏水阀的能力范围内。只有在极少数高压（70 bar g以上）应用中，结合大管径，才需要更大的疏水阀容量。

运行负荷

一旦蒸汽干管达到工作温度，冷凝速率主要是管道尺寸和保温质量与厚度的函数。

关于蒸汽干管运行损失的精确计算方法，请参阅模块2.12”管道和空气加热器的蒸汽消耗量”。或者，对于运行负荷的快速近似，可以使用表10.3.3，该表显示了在各种压力下每50 m保温蒸汽干管每小时冷凝的典型蒸汽量。

表10.3.2 将50 m 40号管升温所需冷凝蒸汽量（kg） **注：**数据基于环境温度20°C，保温效率80%

表10.3.3 50 m 40号管在工作温度下的蒸汽冷凝速率（kg/h） **注：**数据基于环境温度20°C，保温效率80%

适用性

干管排放疏水阀应考虑以下约束条件：

• 排放温度 - 蒸汽疏水阀应在饱和温度或非常接近饱和温度下排放，除非在排放点和疏水阀之间使用冷却段。这意味着选择机械型疏水阀（如浮球型、倒吊桶型或热动力型）。
• 冻结损坏 - 当蒸汽干管位于建筑物外部且有可能出现零下环境温度时，热动力型蒸汽疏水阀是理想的，因为它不受冻害影响。即使安装导致停机时疏水阀中留有水并发生冻结，热动力型疏水阀在恢复使用时解冻也不会受到损坏。
• 水锤 - 过去，在布局不当的安装中水锤经常发生，浮球型疏水阀并非总是理想选择，因为浮球容易损坏。当代设计和制造技术现在生产出极其坚固的干管排水装置。浮球型疏水阀无疑是专用汽水分离器的首选，因为容易获得大容量，且能够快速响应负荷快速增加。 用于排放蒸汽干管冷凝水的蒸汽疏水阀如图10.3.14所示。包括恒温式疏水阀是因为它在别无选择只能将冷凝水排放到满流回水管中的情况下是理想的。

蒸汽疏水的课题在第11章”蒸汽疏水”中有详细处理。

蒸汽泄漏

从管路泄漏的蒸汽经常被忽视。泄漏在经济和环境方面都可能造成巨大损失，因此需要及时处理，以确保蒸汽系统以最佳效率运行，同时对环境的影响最小。

图10.3.15说明了各种尺寸孔洞在各种压力下的蒸汽损失。根据年度运行小时数，这种损失可以轻松转化为燃料节约。

总结

正确的管道对齐和排水意味着遵循几条简单的规则：

• 蒸汽管线应沿流动方向设置坡度，不低于每10米管道100 mm（1:100）。沿流动方向上升的蒸汽管线坡度应不低于每10米管道250 mm（1:40）。
• 蒸汽管线应每隔30-50 m定期排放，并在系统中的任何低点排放。
• 当排水必须在直管段上提供时，应使用大口径集水坑收集冷凝水。
• 如果要安装过滤器，应将其横向安装。
• 支管连接应始终从干管顶部取汽，从那里获得最干燥的蒸汽。
• 应在任何蒸汽使用设备之前考虑安装汽水分离器，确保使用干燥蒸汽。
• 所选疏水阀应足够坚固，以避免水锤损坏和冻害。