摘    要：本文首先詳細(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, 對(duì)安裝在蒸汽管線上的渦街流量計(jì)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。研究并對(duì)比了蒸汽流量測(cè)量的2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。***后, 本文指出了關(guān)于蒸汽工況下流量計(jì)和氣動(dòng)開關(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, 因此蒸汽管線在化工廠里隨處可見。蒸汽管線中的飽和蒸汽很容易發(fā)生冷凝, 并形成冷凝水。如果蒸汽管線過長(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)蒸汽管線再次啟用時(shí), 進(jìn)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)安裝在蒸汽管線上的設(shè)備、儀表和閥門造成破壞。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)安裝在管線上的儀表和閥門形成壓力沖擊。

 

　　2) 蒸汽流速過快, 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, 在管線中產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)和沖擊波。

 

　　3) 冷凝水在管線底部, 被進(jìn)入管線的蒸汽吹動(dòng), 向下游流動(dòng), 像海水被海風(fēng)吹拂著, 形成了海浪。當(dāng)管線上的開關(guān)閥關(guān)閉過于迅速時(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, 疊加撞擊并損壞開關(guān)閥的閥內(nèi)件。

 

　　4) 如果蒸汽管線上的開關(guān)閥打開過快, 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) 如果蒸汽管線上的開關(guān)閥打開過快, 蒸汽流速較快, 則蒸汽會(huì)和原積存在管線內(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), 周圍的冷凝水在瞬間填補(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、閥門和儀表。這個(gè)過程有點(diǎn)類似于氣蝕里的空化。

 

　　3 渦街流量計(jì)和孔板流量計(jì)分別應(yīng)用于蒸汽管線

 

　　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。孔板流量計(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)通過可動(dòng)部件 (通常為機(jī)械件極小的位移) , 去檢測(cè)卡門渦街的漩渦, 并通過機(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)生形變。同時(shí), 差動(dòng)電容本身也可能被該可動(dòng)部件傳來的力直接破壞, 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), 蒸汽管線內(nèi)的蒸汽受到壓力波的干擾, 流場(chǎng)發(fā)生紊亂, 管線本身也強(qiáng)烈震動(dòng)。這會(huì)嚴(yán)重干擾卡門渦街的穩(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)。但卻無法消除, 臨近管道內(nèi)所發(fā)生的汽錘所帶來的管道內(nèi)蒸汽流場(chǎng)本身的紊亂和波動(dòng)。而對(duì)孔板流量計(jì)來說, 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。過熱蒸汽的溫度和壓力沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系, 需對(duì)過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。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)過熱蒸汽來說, 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)和更換成本低廉, 同時(shí), 也可將過熱蒸汽管線內(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內(nèi)的實(shí)際工況。

 

　　對(duì)飽和蒸汽來說, 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, 采購(gòu)和更換成本都相對(duì)較低。且采用種方案可以簡(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：

 

　　與管道專業(yè)不同, 儀表專業(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的開關(guān)速度比球閥更慢。但在蒸汽管線上, 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)生過閥門被汽錘打壞的案例。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, 閥球就有可能被閥座抱死無法動(dòng)作。而直行程的單座閥, 其打開時(shí), 閥芯直接提升, 離開閥座。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題。

 

　　6、結(jié)束語：

 

　　發(fā)生在蒸汽管線內(nèi)的汽錘有5種主要的物理形態(tài), 并且會(huì)對(duì)安裝在蒸汽管線上的儀表和閥門造成破壞?？装辶髁坑?jì)在管道內(nèi)沒有測(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)飽和蒸汽來說, 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)用于蒸汽管線的切斷。