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(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

目前主流民用類船舶設(shè)計中，船用供暖方案主要采用熱水管網(wǎng)為全船供熱，這種方案的優(yōu)點：①安全，常壓下熱水溫度不超過100 ℃，即使在熱水泄漏的情況下也不會威脅到人員生命；②工況簡單，流動介質(zhì)維持為液態(tài)單相流體。針對單相流，其流體特性更容易分析，即管路中干管、支管中的壓力、流量、流速分布更容易計算得出；③管網(wǎng)故障率小，相對于雙相流，單相流動更為簡單，該情況下管路、閥件故障率更小。但是其缺點是管網(wǎng)體積過于龐大。蒸汽管網(wǎng)不存在這樣的問題，由于利用了水的汽化潛熱，船用蒸汽管網(wǎng)規(guī)模、占用空間更小。缺點安全性更低，在蒸汽管網(wǎng)發(fā)生泄漏的情況下，有可能對人員造成傷害；蒸汽管網(wǎng)中的流動介質(zhì)存在著汽液兩相流的狀態(tài)，該狀態(tài)下的流動特性更為復(fù)雜，管路閥件故障率高，并且排查故障也更為困難[1]。針對大型船舶中低壓(0.3～0.4 MPa)蒸汽管網(wǎng)(以下簡稱蒸汽管網(wǎng))在使用過程中出現(xiàn)的故障，進行原理分析并提出解決途徑。

1 蒸汽管網(wǎng)運行存在的主要問題

1)蒸汽系統(tǒng)水力工況不穩(wěn)定、水錘現(xiàn)象明顯。由于蒸汽管網(wǎng)的用戶對蒸汽使用量、使用時間段、使用頻率差異大，目前蒸汽管網(wǎng)中水力工況經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。與陸用建筑供暖管網(wǎng)比較平直的情況不同，船上空間有限，蒸汽管路經(jīng)常隨著船舶結(jié)構(gòu)或者設(shè)備彎曲，會有大量的彎頭、U形彎等情況，造成流通阻力大，管路低點有凝水積存[2]。為用戶間歇供汽時，水錘現(xiàn)象明顯，管路存在振動情況，產(chǎn)生較大的噪聲，嚴(yán)重影響管路和閥門的使用壽命，存在一定的安全隱患。

2)凝水管網(wǎng)回收暢通性差。當(dāng)蒸汽管網(wǎng)中汽水分離器、疏水分離器等汽水分離設(shè)備效果變差或者失效時，會導(dǎo)致蒸汽管及凝水管內(nèi)存在大量汽液兩相流的情況。當(dāng)蒸汽管路或用汽設(shè)備的疏水閥存在蒸汽泄漏時，會導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽量較大，凝水管路背壓升高，凝水無法正?；厥?，引起局部凝水管網(wǎng)癱瘓。凝水管路中再次汽化的現(xiàn)象也容易導(dǎo)致凝水不暢。

3)蒸汽系統(tǒng)缺少相應(yīng)的管路施工及工藝要求。大型船舶空間有限，蒸汽管網(wǎng)管路走向復(fù)雜，管路施工的坡度、取汽點和疏水點的設(shè)置、補償器的設(shè)置等，都會直接影響系統(tǒng)水力工況的穩(wěn)定性。目前建筑領(lǐng)域有明確的疏水點、管路坡度要求，船上蒸汽管網(wǎng)由于存在大量的彎曲，施工條件無法與陸用建筑領(lǐng)域相同，亟須有適用于船舶類的施工工藝指導(dǎo)。

2 故障發(fā)生的原因

蒸汽管路伴隨著冷凝水，同時冷凝水中存在蒸汽二次閃蒸的情況，這是故障發(fā)生的主要原因。蒸汽提升管路會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。文獻[3]中認(rèn)為當(dāng)蒸汽管路閥門關(guān)閉時，殘余的蒸汽會形成凝水積存在管路中。當(dāng)下次開啟蒸汽閥門時，蒸汽會推動凝水進入提升管。當(dāng)大部分凝水通過后，水流與管路之間會形成間隙，蒸汽沖過間隙并失去了對凝水的上推力，導(dǎo)致凝水下落撞擊管路，形成水錘。文獻[4]指出，在長距離疏水管道中經(jīng)常存在局部突起的情況，某些管道的壓力容易降低至水的汽化壓力，從而形成氣泡空穴，使前后水柱斷裂形成“水柱分離”。當(dāng)壓力升高時，被分離的水柱由于汽泡空穴的潰滅產(chǎn)生撞擊，產(chǎn)生的壓力驟然上升形成很高的水錘壓力，導(dǎo)致管道破壞?？紤]到船上凝水管網(wǎng)中的凝水仍然有較高的溫度(最高可達90 ℃)，在管路壓力低處更容易產(chǎn)生二次汽化的現(xiàn)場，從而產(chǎn)生水錘[5-6]。針對疏水閥經(jīng)常泄汽或失效等問題，文獻[7]認(rèn)為，疏水閥失效除了設(shè)備本身的原因，更主要的是系統(tǒng)設(shè)計和選擇方面存在問題。文獻[8]認(rèn)為，疏水閥選型時，應(yīng)根據(jù)疏水閥前壓力、疏水閥后壓力、疏水量、蒸汽性質(zhì)、管道輸水還是設(shè)備疏水、是否允許存在冷凝水積存來判斷。同時，疏水閥的安裝也影響到疏水效果[9]。疏水閥的選用要考慮其所處的工作環(huán)境和使用條件[10-11]。

3 解決蒸汽管網(wǎng)故障辦法

針對船用蒸汽管網(wǎng)中存在的問題，提出以下解決方案。

1)合理設(shè)施疏水點。在蒸汽管道的最低點、上升管道底部、蒸汽管路的尾端、間歇運行的大用戶進汽管最低點等設(shè)置疏水點。

2)設(shè)置一定的管路坡度?？紤]到船上結(jié)構(gòu)眾多，應(yīng)盡可能在蒸汽管長直水平段設(shè)置坡度，當(dāng)汽、水逆向流動時，坡度應(yīng)大于0.005，其他應(yīng)大于0.003。

3)在蒸汽干管上設(shè)置集水槽。防止主管道上的凝結(jié)水直接被蒸汽帶走，只有少量凝結(jié)水進入疏水管。

4)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)開始運行時，應(yīng)緩慢開啟閥門，防止殘存的冷凝水被高速蒸汽帶走，無法進入疏水管。

5)合理選用疏水閥。針對大排量凝結(jié)水情況，建議采用杠桿浮球式疏水閥(機械型)；對于提升管、閥門附近等可能產(chǎn)生水錘的地方建議采用倒置桶型疏水閥(機械型)；考慮到船上空間有限，對于凝水量較小的管路可以建議熱動力性疏水閥。

4 減少蒸汽管路中凝水積存方法的計算論證

由于船上蒸汽管路走向復(fù)雜，間歇性用戶較多，考慮到船上的空間有限及成本控制，不易在每段管路低點、間歇性用戶供氣管路上都設(shè)置疏水閥，建議用戶在不使用蒸汽時，在主蒸汽管路中仍然維持一定量的過熱蒸汽，以維持蒸汽管路有足夠的溫度，避免蒸汽冷凝為凝結(jié)水，殘存的冷凝水被流動的蒸汽及時帶走。當(dāng)進口過熱蒸汽經(jīng)過管路冷卻后，蒸汽出口點恰好為飽和蒸汽點時，可認(rèn)為該蒸汽量即為管路不產(chǎn)生凝水的最小蒸汽量。

單位管段蒸汽散熱示意見圖1。

圖1 蒸汽管段散熱示意

計算單位長度蒸汽管段的熱損失。單位長度蒸汽管道總的傳熱系數(shù)與以下因素有關(guān)：蒸汽和管壁的對流換熱系數(shù)、鋼管管壁的導(dǎo)熱系數(shù)、保溫層(玻璃棉)的導(dǎo)熱系數(shù)、外層材料(福勒斯)的導(dǎo)熱系數(shù)、空氣與管道的對流換熱系數(shù)。單位長度蒸汽管道的總傳熱熱阻為[12]

式中：h1為蒸汽與鋼管內(nèi)壁的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；d1為鋼管內(nèi)壁直徑，m；d2為鋼管外壁直徑，m；d3為玻璃棉外壁直徑，m；d4為福勒斯外壁直徑，m；λ2為鋼管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λ3為玻璃棉導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λ4為福勒斯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h0為空氣與管道間的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

h1可根據(jù)公式計算得到

對于h0，認(rèn)為蒸汽管路外空氣的流動情況為圓柱體與常溫空氣自然對流工況，則

式中：Nu為努塞爾數(shù)；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K)。

為簡化模型，認(rèn)為蒸汽管段從過熱狀態(tài)到出口狀態(tài)為定壓過程，則散熱量即為焓差。

Δh=hin-hout

式中：hin為過熱蒸汽進入管段時的焓值，kJ/kg；hout為蒸汽出管段時的比焓值，kJ/kg；Δh為定壓蒸汽進出口比焓差，kJ/kg

單位長度蒸汽管路散熱量

式中：m為蒸汽流量，kg/h；?為單位蒸汽管段熱流量，W/m；tf為蒸汽定性溫度，K；t0為空氣溫度，K。

從而可以得到蒸汽流量：

選取0.4 MPa表壓(飽和蒸汽溫度152 ℃)下不同溫度的過熱蒸汽、不同管徑條件下所需的最小流量，計算結(jié)果見表1。

表1 單位長度蒸汽管段冷凝所需最小流量 kg/(h·m)

由表1可見，如要維持蒸汽管內(nèi)不產(chǎn)生凝結(jié)水，160 ℃微過熱的蒸汽所需要的流量較大，為了不浪費蒸汽，提高一定的過熱蒸汽溫度能有效地減少蒸汽量?？紤]到蒸汽經(jīng)過管路最終進入鍋爐內(nèi)，蒸汽管路的沿程散熱損失即可認(rèn)為是總的熱能損失，由于蒸汽未被完全冷卻為冷凝水，即汽化潛熱未損失，所以維持間歇用戶管路蒸汽的方案不會顯著降低蒸汽管網(wǎng)的綜合能量利用率。提高船用鍋爐蒸汽出口溫度會造成蒸汽經(jīng)過用戶換熱后，可能存在沒有被完全冷凝的情況，需要根據(jù)蒸汽耗量、蒸汽沿程長度綜合考慮鍋爐出口溫度。

5 結(jié)論

對于目前大型船舶里的復(fù)雜蒸汽管網(wǎng)，通過合理設(shè)置疏水點、正確選用疏水閥，并保證一定的管路坡度來減少水錘、凝水不暢、疏水閥泄漏等問題。通過計算認(rèn)為，對于間歇性用戶，可以通過將進口飽和蒸汽提高為過熱蒸汽的方法來減少管路中出現(xiàn)的凝水積存現(xiàn)象，減少蒸汽系統(tǒng)中疏水閥的配置。對于蒸汽進口溫度提高值，需要綜合用戶蒸汽用量及管路沿程長度綜合考慮。