摘    要：本文首先詳細介紹了蒸汽汽錘的成因和汽錘的5種具體的物理形態。在此基礎上, 對安裝在蒸汽管線上的渦街流量計和孔板流量計的設計選型, 進行了詳細的比較和分析。研究并對比了蒸汽流量測量的2種不同的溫壓補償設計方案。然后, 對氣動球閥和氣動單座閥在蒸汽工況下的應用也進行了深入探討。***后, 本文指出了關于蒸汽工況下流量計和氣動開關閥設計選型的若干建議。

　　1、概述：

 

　　化工行業經常使用飽和蒸汽對工藝介質進行加熱, 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生冷凝, 并形成冷凝水。如果蒸汽管線過長, 且未進行合理支撐, 那么, 在重力的作用下, 管道的中間部分會下垂, 并在蒸汽管線停用后, 積存一部分冷凝水。蒸汽疏水閥設置和安裝的不合理, 也會導致蒸汽管路的排水不暢。當蒸汽管線再次啟用時, 進入管道的蒸汽和積存在管道內的冷凝水相遇, 就會在管道內形成汽錘。汽錘會對安裝在蒸汽管線上的設備、儀表和閥門造成破壞。此外, 蒸汽的溫度也較高。在工程設計中, 對這些不利因素都應加以考慮和防范。

 

　　2、汽錘的物理形態：

 

　　汽錘有以下5種主要的物理形態:

 

　　1) 蒸汽管線里積存的冷凝水, 在蒸汽的加熱下快速蒸發, 使得管道內的氣體體積迅速膨脹, 壓力上升, 從而對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, 而兩側則仍然是冷凝水, 當這部分蒸汽在冷凝水中發生冷凝時, 形成局部真空, 使冷凝水從兩頭向中間快速流動, 填補真空, 并發生激烈碰撞, 在管線中產生較大的壓強和沖擊波。

 

　　3) 冷凝水在管線底部, 被進入管線的蒸汽吹動, 向下游流動, 像海水被海風吹拂著, 形成了海浪。當管線上的開關閥關閉過于迅速時, 流動的冷凝水漣漪, 也會如海浪疊加撞擊岸邊的峭壁一樣, 疊加撞擊并損壞開關閥的閥內件。

 

　　4) 如果蒸汽管線上的開關閥打開過快, 則閥后的冷凝水有可能會被高速流動的蒸汽吹起, 如子彈一般的, 撞擊下游的管件和儀表, 并造成相應的損壞。

 

　　5) 如果蒸汽管線上的開關閥打開過快, 蒸汽流速較快, 則蒸汽會和原積存在管線內的, 低溫的冷凝水混合在一起, 并在冷凝水內部形成由蒸汽構成的氣泡, 當這些蒸汽氣泡破裂時, 周圍的冷凝水在瞬間填補蒸汽氣泡破裂后形成的空間, 形成高壓強, 并破壞臨近的管件、閥門和儀表。這個過程有點類似于氣蝕里的空化。

 

　　3 渦街流量計和孔板流量計分別應用于蒸汽管線

 

　　渦街流量計通常是利用差動電容, 測量漩渦發生體后產生的卡門渦街的漩渦頻率, 從而推算出被測流體的流量。其量程比大致為10∶1。孔板流量計則是通過測量孔板前后的壓差, 由伯努利方程 (孔板兩側的壓差的開方值, 與流經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狹窄, 大致為3∶1。當渦街流量計和孔板流量計分別應用在蒸汽管線上時:

 

　　1) 渦街流量計測量漩渦的差動電容是完全處于蒸汽管線內部的。因此, 差動電容幾乎時刻處于高溫之中, 其使用壽命較短。孔板流量計分兩種:一體化孔板流量計和帶冷凝罐的孔板流量計。一體化孔板流量計的差壓測量元件, 在管道上方, 并不在管道內。而帶冷凝罐的孔板流量計, 其差壓測量元件, 只接觸冷凝罐內的冷凝水, 與蒸汽是完全隔絕的。因此, 孔板流量計差壓測量元件的使用壽命較長。

 

　　渦街流量計通過可動部件 (通常為機械件極小的位移) , 去檢測卡門渦街的漩渦, 并通過機械傳動, 將這一物理位移傳遞給差動電容。當蒸汽管線內發生汽錘時, 該可動部件將受到較大的沖擊力, 有可能發生形變。同時, 差動電容本身也可能被該可動部件傳來的力直接破壞, 從而導致渦街流量計傳感器損壞。而孔板流量計則沒有任何可動部件。且安裝在管道內, 作為孔板流量計一次測量部件的孔板, 機構簡單, 非常堅固。因此, 孔板流量計很難被汽錘打壞。

 

　　當汽錘發生時, 蒸汽管線內的蒸汽受到壓力波的干擾, 流場發生紊亂, 管線本身也強烈震動。這會嚴重干擾卡門渦街的穩定生成, 從而影響渦街流量計的正常測量。當然, 對渦街流量計兩側的管道, 進行額外的加固支撐, 可以在一定程度上減輕渦街流量計的震動。但卻無法消除, 臨近管道內所發生的汽錘所帶來的管道內蒸汽流場本身的紊亂和波動。而對孔板流量計來說, 汽錘所產生的管道震動和流場紊亂, 并不會影響孔板前后的壓差, 也就不會影響孔板流量計進行準確可靠的流量測量。

　　4、蒸汽流量測量的溫壓補償：

 

　　蒸汽管線流量計設計選型的另一個要點是溫壓補償。蒸汽在化工生產中的主要作用是對工藝介質進行加熱, 工藝設計師和生產操作員所關心的是蒸汽的質量流量, 而不是體積流量。但渦街流量計和孔板流量計都是體積流量計, 無法直接測量質量流量。因此, 必須對渦街流量計和孔板流量計的測量結果進行溫壓補償。過熱蒸汽的溫度和壓力沒有對應關系, 需對過熱蒸汽的體積流量同時進行溫度補償和壓力補償。飽和蒸汽的溫度和壓力是一一對應的, 只需對飽和蒸汽的體積流量進行單一的溫度補償或壓力補償即可。

 

　　溫壓補償有兩種方案。種是在流量計內集成溫度測量和壓力測量元件, 并在變送器內進行溫壓補償計算, 然后將補償后的質量流量信號傳給集散控制系統 (DCS) 。第二種方案是在管線上加裝溫度變送器和壓力變送器, 然后將測得的壓力信號, 和蒸汽流量計測得的補償前的體積流量信號, 一起上傳DCS, 并在DCS內根據公式進行溫壓補償計算。

 

　　對過熱蒸汽來說, 個別品牌的渦街流量計和孔板流量計, 同時集成了溫度測量和壓力測量的功能, 而這些型號的流量計價格也較貴。當溫度或壓力測量元件損壞后, 需更換整個流量計, 則更換成本和備品備件成本都非常昂貴。而采用第二種設計方案, 不但采購和更換成本低廉, 同時, 也可將過熱蒸汽管線內的溫度和壓力信號一起上傳至DCS。有利于生產操作人員更好的掌握蒸汽管線內的實際工況。

 

　　對飽和蒸汽來說, 可提供單一溫度補償的渦街流量計或孔板流量計都較為常見, 采購和更換成本都相對較低。且采用種方案可以簡化設計, 減少施工現場的施工量和未來運行階段的維護工作量, 因此相對較為合理。

 

　　5、球閥切斷閥和單座切斷閥分別應用于蒸汽管線：

 

　　與管道專業不同, 儀表專業通常不會選擇單座閥作為氣動切斷閥。這不僅僅是因為單座閥所占用的安裝空間較大, 也是因為單座閥的開關速度比球閥更慢。但在蒸汽管線上, 和氣動球閥相比, 氣動單座切斷閥卻有若干優勢:

 

　　蒸汽汽錘的破壞力驚人, 實際工業生產中, 不止一次發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, 結構相對脆弱。而單座閥的閥體和閥芯用料厚實, 結構堅固。當汽錘發生在切斷閥附近時, 閥體和閥內件會承受較大的沖擊力。此時, 單座閥會比球閥更加堅固可靠, 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系。球閥分浮動球球閥和固定球球閥兩種。浮動球球閥關閉時, 依靠上下游的壓差來實現閥芯和閥座間的密封, 固定球球閥關閉時, 依靠閥座內的彈簧來實現密封, 這兩種密封力相對都較小。而單座閥則依靠執行機構的輸出力, 將閥芯壓在閥座上。因此, 只要選擇合適的執行機構, 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。當蒸汽管線停用時, 單座閥的密封性更好, 泄漏到下游管道的蒸汽量就較少, 管道內的凝結水也會隨之減少。當蒸汽管線再次啟用時, 汽錘的發生概率也會更低。

 

　　當蒸汽通過球閥時, 閥內溫度上升, 球閥的閥球和閥座會發生熱膨脹, 但由于鋼材用料量的不同, 閥球和閥座的膨脹程度也會有所不同。這樣一來, 閥球就有可能被閥座抱死無法動作。而直行程的單座閥, 其打開時, 閥芯直接提升, 離開閥座。閥芯和閥座之間不存在靜摩擦力, 不會被抱死, 因此不存在球閥那樣的問題。

 

　　6、結束語：

 

　　發生在蒸汽管線內的汽錘有5種主要的物理形態, 并且會對安裝在蒸汽管線上的儀表和閥門造成破壞。孔板流量計在管道內沒有測量元件和可動部件, 其測量也不受管道震動和流體紊亂的影響, 因此, 在量程比允許的情況下, 比渦街流量計更適合應用于蒸汽流量測量。蒸汽流量的測量需進行溫壓補償, 對過熱蒸汽而言, 應在管道上安裝獨立的溫度變送器和壓力變送器, 然后在DCS上進行補償計算。而對飽和蒸汽來說, 可在渦街流量計或孔板流量計內部集成溫度傳感器, 并在流量變送器內部進行溫度補償計算。氣動單座閥的閥內件堅固可靠, 關閉時的密封壓力較大, 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, 其閥芯也不會因為熱膨脹而被閥座抱死。因此, 氣動單座閥比氣動球閥更適合應用于蒸汽管線的切斷。