摘要：詳細(xì)介紹了蒸汽汽錘的成因和汽錘的5種具體的物理形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，安裝在蒸汽管線(xiàn)上的渦街流量和孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)選型，進(jìn)行了詳細(xì)的比較和分析。并對(duì)比了蒸汽流量測(cè)量的種不同的溫壓補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案。然后，對(duì)氣動(dòng)球閥和氣動(dòng)單座閥在蒸汽工況下的應(yīng)用也進(jìn)行了深入探討。最后，指出了于蒸汽工況下流量計(jì)和氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥設(shè)計(jì)選型的若干建議。
1.概述
化工行業(yè)經(jīng)常使用飽和蒸汽對(duì)工藝介質(zhì)進(jìn)行加熱，因此蒸汽管線(xiàn)在化工廠(chǎng)里隨處可見(jiàn)。蒸汽管線(xiàn)中的飽和蒸汽很容易發(fā)生冷凝，并形成冷凝水。如果蒸汽管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，且未進(jìn)行合理支撐，那么，在重力的作用下，管道的中間部分會(huì)下垂，并在蒸汽管線(xiàn)停用后，積存一部分冷凝水。蒸汽疏水閥設(shè)置和安裝的不合理，也會(huì)導(dǎo)致蒸汽管路的排水不暢。當(dāng)蒸汽管線(xiàn)再次啟用時(shí)，入管道的蒸汽和積存在管道內(nèi)的冷凝水相遇，就會(huì)在管道內(nèi)形成汽錘。汽錘會(huì)對(duì)安裝在蒸汽管線(xiàn)上的設(shè)備、儀表和閥門(mén)造成破壞。此外，蒸汽的溫度也較高。在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)這些不利因素都應(yīng)加以考慮和防范。
2.汽錘的物理形態(tài)
汽錘有以下5種主要的物理形態(tài)：
1）蒸汽管線(xiàn)里積存的冷凝水，在蒸汽的加熱下快速蒸發(fā)，使得管道內(nèi)的氣體體積迅速膨脹，壓力上升，從而對(duì)安裝在管線(xiàn)上的儀表和閥門(mén)形成壓力沖擊。
2）蒸汽流速過(guò)快，部分蒸汽沖入積存的冷凝水之中，使得中間一段管道全部被蒸汽占據(jù)，而兩側(cè)則仍然是冷凝水，當(dāng)這部分蒸汽在冷凝水中發(fā)生冷凝時(shí)，形成局部真空，使冷凝水從兩頭向中間快速流動(dòng)，填補(bǔ)真空，并發(fā)生激烈碰撞，在管線(xiàn)中產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)和沖擊波。
3）冷凝水在管線(xiàn)底部，被進(jìn)入管線(xiàn)的蒸汽吹動(dòng)，向下游流動(dòng)，像海水被海風(fēng)吹拂著，形成了海浪。當(dāng)管線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉過(guò)于迅速時(shí)，流動(dòng)的冷凝水漣漪，也會(huì)如海浪疊加撞擊岸邊的峭壁一樣，疊加撞擊并損壞開(kāi)關(guān)閥的閥內(nèi)件。
4）如果蒸汽管線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)過(guò)快，則閥后的冷凝水有可能會(huì)被高速流動(dòng)的蒸汽吹起，如子彈一般的，撞擊下游的管件和儀表，并造成相應(yīng)的損壞。
5）如果蒸汽管線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)過(guò)快，蒸汽流速較快，則蒸汽會(huì)和原積存在管線(xiàn)內(nèi)的，低溫的冷凝水混合在一起，并在冷凝水內(nèi)部形成由蒸汽構(gòu)成的氣泡，當(dāng)這些蒸汽氣泡破裂時(shí)，周?chē)睦淠谒查g填補(bǔ)蒸汽氣泡破裂后形成的空間，形成高壓強(qiáng)，并破壞臨近的管件、閥門(mén)和儀表。這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)類(lèi)似于氣蝕里的空化。
3.渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)分別應(yīng)用于蒸汽管線(xiàn)
渦街流量計(jì)通常是利用差動(dòng)電容，測(cè)量漩渦發(fā)生體后產(chǎn)生的卡門(mén)渦街的漩渦頻率，從而推算出被測(cè)流體的流量。其量程比大致為10∶1�？装辶髁坑�(jì)則是通過(guò)測(cè)量孔板前后的壓差，由伯努利方程（孔板兩側(cè)的壓差的開(kāi)方值，與流經(jīng)孔板的流體的流量成正比），推算出流體的流量。其量程比比渦街流量計(jì)狹窄，大致為3∶1。當(dāng)渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)分別應(yīng)用在蒸汽管線(xiàn)上時(shí)：
1）渦街流量計(jì)測(cè)量漩渦的差動(dòng)電容是完全處于蒸汽管線(xiàn)內(nèi)部的。因此，差動(dòng)電容幾乎時(shí)刻處于高溫之中，其使用壽命較短�？装辶髁坑�(jì)分兩種：一體化孔板流量計(jì)和帶冷凝罐的孔板流量計(jì)。一體化孔板流量計(jì)的差壓測(cè)量元件，在管道上方，并不在管道內(nèi)。而帶冷凝罐的孔板流量計(jì)，其差壓測(cè)量元件，只接觸冷凝罐內(nèi)的冷凝水，與蒸汽是完全隔絕的。因此，孔板流量計(jì)差壓測(cè)量元件的使用壽命較長(zhǎng)。
渦街流量計(jì)通過(guò)可動(dòng)部件（通常為機(jī)械件極小的位移），去檢測(cè)卡門(mén)渦街的漩渦，并通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，將這一物理位移傳遞給差動(dòng)電容。當(dāng)蒸汽管線(xiàn)內(nèi)發(fā)生汽錘時(shí)，該可動(dòng)部件將受到較大的沖擊力，有可能發(fā)生永久形變。同時(shí)，差動(dòng)電容本身也可能被該可動(dòng)部件傳來(lái)的力直接破壞，從而導(dǎo)致渦街流量計(jì)傳感器損壞。而孔板流量計(jì)則沒(méi)有任何可動(dòng)部件。且安裝在管道內(nèi)，作為孔板流量計(jì)一次測(cè)量部件的孔板，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常堅(jiān)固。因此，孔板流量計(jì)很難被汽錘打壞。
當(dāng)汽錘發(fā)生時(shí)，蒸汽管線(xiàn)內(nèi)的蒸汽受到壓力波的干擾，流場(chǎng)發(fā)生紊亂，管線(xiàn)本身也強(qiáng)烈震動(dòng)。這會(huì)嚴(yán)重干擾卡門(mén)渦街的穩(wěn)定生成，從而影響渦街流量計(jì)的正常測(cè)量。當(dāng)然，對(duì)渦街流量計(jì)兩側(cè)的管道，進(jìn)行額外的加固支撐，可以在一定程度上減輕渦街流量計(jì)的震動(dòng)。但卻無(wú)法消除，臨近管道內(nèi)所發(fā)生的汽錘所帶來(lái)的管道內(nèi)蒸汽流場(chǎng)本身的紊亂和波動(dòng)。而對(duì)孔板流量計(jì)來(lái)說(shuō)，汽錘所產(chǎn)生的管道震動(dòng)和流場(chǎng)紊亂，并不會(huì)影響孔板前后的壓差，也就不會(huì)影響孔板流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的流量測(cè)量。
4.蒸汽流量測(cè)量的溫壓補(bǔ)償
蒸汽管線(xiàn)流量計(jì)設(shè)計(jì)選型的另一個(gè)要點(diǎn)是溫壓補(bǔ)償。蒸汽在化工生產(chǎn)中的主要作用是對(duì)工藝介質(zhì)進(jìn)行加熱，工藝設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)操作員所關(guān)心的是蒸汽的質(zhì)量流量，而不是體積流量。但渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)都是體積流量計(jì)，無(wú)法直接測(cè)量質(zhì)量流量。因此，必須對(duì)渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。過(guò)熱蒸汽的溫度和壓力沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，需對(duì)過(guò)熱蒸汽的體積流量同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和壓力補(bǔ)償。飽和蒸汽的溫度和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，只需對(duì)飽和蒸汽的體積流量進(jìn)行單一的溫度補(bǔ)償或壓力補(bǔ)償即可。
溫壓補(bǔ)償有兩種方案。第一種是在流量計(jì)內(nèi)集成溫度測(cè)量和壓力測(cè)量元件，并在變送器內(nèi)進(jìn)行溫壓補(bǔ)償計(jì)算，然后將補(bǔ)償后的質(zhì)量流量信號(hào)傳給集散控制系統(tǒng)（DCS）。第二種方案是在管線(xiàn)上加裝溫度變送器和壓力變送器，然后將測(cè)得的壓力信號(hào)，和蒸汽流量計(jì)測(cè)得的補(bǔ)償前的體積流量信號(hào)，一起上傳DCS，并在DCS內(nèi)根據(jù)公式進(jìn)行溫壓補(bǔ)償計(jì)算。
對(duì)過(guò)熱蒸汽來(lái)說(shuō)，僅有個(gè)別品牌的渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)，同時(shí)集成了溫度測(cè)量和壓力測(cè)量的功能，而這些型號(hào)的流量計(jì)價(jià)格也較貴。當(dāng)溫度或壓力測(cè)量元件損壞后，需更換整個(gè)流量計(jì)，則更換成本和備品備件成本都非常昂貴。而采用第二種設(shè)計(jì)方案，不但采購(gòu)和更換成本低，同時(shí)，也可將過(guò)熱蒸汽管線(xiàn)內(nèi)的溫度和壓力信號(hào)一起上傳至DCS。有利于生產(chǎn)操作人員更好的掌握蒸汽管線(xiàn)內(nèi)的實(shí)際工況。
對(duì)飽和蒸汽來(lái)說(shuō)，可提供單一溫度補(bǔ)償?shù)臏u街流量計(jì)或孔板流量計(jì)都較為常見(jiàn)，采購(gòu)和更換成本都相對(duì)較低。且采用第一種方案可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少施工現(xiàn)場(chǎng)的施工量和未來(lái)運(yùn)行階段的維護(hù)工作量，因此相對(duì)較為合理。
5.球閥切斷閥和單座切斷閥分別應(yīng)用于蒸汽管線(xiàn)
與管道專(zhuān)業(yè)不同，儀表專(zhuān)業(yè)通常不會(huì)選擇單座閥作為氣動(dòng)切斷閥。這不僅僅是因?yàn)閱巫y所占用的安裝空間較大，也是因?yàn)閱巫y的開(kāi)關(guān)速度比球閥更慢。但在蒸汽管線(xiàn)上，和氣動(dòng)球閥相比，氣動(dòng)單座切斷閥卻有若干優(yōu)勢(shì)：
蒸汽汽錘的破壞力驚人，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，不止一次發(fā)生過(guò)閥門(mén)被汽錘打壞的案例。球閥的閥體和閥芯比較單薄，所用鋼材較少，結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱。而單座閥的閥體和閥芯用料厚實(shí)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。當(dāng)汽錘發(fā)生在切斷閥附近時(shí)，閥體和閥內(nèi)件會(huì)承受較大的沖擊力。此時(shí)，單座閥會(huì)比球閥更加堅(jiān)固可靠，不容易被汽錘打壞。
閥芯和閥座間密封的可靠性和密封面上的密封壓力有很大的關(guān)系。球閥分浮動(dòng)球球閥和固定球球閥兩種。浮動(dòng)球球閥關(guān)閉時(shí)，依靠上下游的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)閥芯和閥座間的密封，固定球球閥關(guān)閉時(shí)，依靠閥座內(nèi)的彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，這兩種密封力相對(duì)都較小。而單座閥則依靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力，將閥芯壓在閥座上。因此，只要選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就能在單座閥閥芯閥座處獲得較大的密封壓力，從而改善閥座處的密封性。當(dāng)蒸汽管線(xiàn)停用時(shí)，單座閥的密封性更好，泄漏到下游管道的蒸汽量就較少，管道內(nèi)的凝結(jié)水也會(huì)隨之減少。當(dāng)蒸汽管線(xiàn)再次啟用時(shí)，汽錘的發(fā)生概率也會(huì)更低。
當(dāng)蒸汽通過(guò)球閥時(shí)，閥內(nèi)溫度上升，球閥的閥球和閥座會(huì)發(fā)生熱膨脹，但由于鋼材用料量的不同，閥球和閥座的膨脹程度也會(huì)有所不同。這樣一來(lái)，閥球就有可能被閥座抱死無(wú)法動(dòng)作。而直行程的單座閥，其打開(kāi)時(shí)，閥芯直接提升，離開(kāi)閥座。閥芯和閥座之間不存在靜摩擦力，不會(huì)被抱死，因此不存在球閥那樣的問(wèn)題。
6.結(jié)束語(yǔ)
發(fā)生在蒸汽管線(xiàn)內(nèi)的汽錘有5種主要的物理形態(tài)，并且會(huì)對(duì)安裝在蒸汽管線(xiàn)上的儀表和閥門(mén)造成破壞�？装辶髁坑�(jì)在管道內(nèi)沒(méi)有測(cè)量元件和可動(dòng)部件，其測(cè)量也不受管道震動(dòng)和流體紊亂的影響，因此，在量程比允許的情況下，比渦街流量計(jì)更適合應(yīng)用于蒸汽流量測(cè)量。蒸汽流量的測(cè)量需進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，對(duì)過(guò)熱蒸汽而言，應(yīng)在管道上安裝獨(dú)立的溫度變送器和壓力變送器，然后在DCS上進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。而對(duì)飽和蒸汽來(lái)說(shuō)，可在渦街流量計(jì)或孔板流量計(jì)內(nèi)部集成溫度傳感器，并在流量變送器內(nèi)部進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算。氣動(dòng)單座閥的閥內(nèi)件堅(jiān)固可靠，關(guān)閉時(shí)的密封壓力較大，泄漏量小，且可選擇線(xiàn)性或等百分比的流量特性，能較好的限制蒸汽流量的快速增加，其閥芯也不會(huì)因?yàn)闊崤蛎浂婚y座抱死。因此，氣動(dòng)單座閥比氣動(dòng)球閥更適合應(yīng)用于蒸汽管線(xiàn)的切斷。
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