1371蒸汽和冷凝水系统手册

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第13冷凝水的排除失流图—适用于二次侧流体流量和入口温度恒定，出口温度发生变化的状况章节

13.7

失流图 —

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第13冷凝水的排除失流图—适用于二次侧流体流量和入口温度恒定，出口温度发生变化的状况

章节13.7

失流图 —

适用于二次侧流量恒定和入口温度恒定、出口温度变化的状况

前面的内容都是在假设二次侧流体出口温度不变的情况下加以讨论的。在某些应用中，二次侧出口温

度随时间不同可能会需要变化，这同样也会影响换热器的负荷并造成换热器失流。

这种二次侧出口温度变化的情况通常会发生在制程应用中，同时也有一些容积式换热器根据环境温度的改变也会改变其二次侧出口温度。

如果换热器二次侧的出口温度（设定温度）最高时所需的热负荷最大，则当设定点温度降低时，热负荷也会随之降低。

从以下的计算可以看出，设定点的降低会增加失流的可能性。一旦知道设计条件，我们不仅可以通过计算，还可以通过失流图来得出设定点降低所造成的影响。例 13.7.1

最初，换热器二次侧的水流量为1.5L/s，经过换热器后从20℃加热至70℃，换热器蒸汽侧入口处安装的压力表显示此时换热器内蒸汽空间的压力为5.2 bar g（Ts=160℃）。设备后冷凝水管向下排放到一个开式的冷凝水集水罐（T(back)=100℃）。

如果二次侧出口的设定点降低到60℃，失流点会发生何种变化，失流时的蒸汽负荷是多少？计算设定点降低所造成的影响

首先根据满负荷时的工作条件采用公式13.2.2计算换热器的温度设计常数（TDC）：

满负荷时的条件：T1 = T2 = TS = 因此：

20℃70℃

160 ℃ (5.2 bar g的饱和蒸汽温度)

TDC = TDC = TDC =

160 - 20140142TDC=1.555

设定点降低时换热器的失流点会发生何种变化？

首先，考虑设定温度为70℃ 时的失流负荷。设计条件为：T1 T2 TS

= = =

20℃70℃160℃100℃

T(背压) =

若二次侧流体流量恒定，可使用公式13.5.1计算失流时的负荷百分比：

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式中:

A = 设定温度为70℃下满负荷时的蒸汽温度(TS)；B = 二次侧流体的出口温度(T2)；D = 背压所对应的饱和蒸汽温度 (T(背压))。 失流负荷百分比 D - B

=

失流负荷百分比 =

100 -70

失流负荷百分比 30

=

×100

失流负荷百分比 = 33.33 (失流系数 0.3333)

设定温度为70℃时

= cp T (kW)

= 1.5kg/s x 4.19 kJ/kg℃ x (70 - 20) ℃ = 314 kW

失流时热负荷 = 0.3333 x 314 kW 失流时热负荷 = 105 kW

冷凝水排向大气环境，大气压力下饱和蒸汽的蒸发焓hfg为2257 kJ/kg.

失流时热负荷 105 kW×3600 s/h

=

失流时热负荷 = 168 kg/h（设定温度为70℃）

然后，考虑设定温度为60℃时的失流负荷。可以使用公式13.2.3可以计算任何负荷下的蒸汽温度：

式中： TS = 蒸汽温度 (℃)；

T2 = 二次侧流体出口温度(60℃)；

TDC = 温度设计常数(1.555)；

T1 = 二次侧流体的入口温度(20℃)。

T (60×1.555)-20s =

T (93.3) - 20s =

Ts = 132℃（设定温度为60℃）

设定温度降为60℃时，我们还是可以利用公式13.5.1计算失流时的负荷百分比：

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式中:

A = 设定温度为60℃下，满负荷时的蒸汽温度(TS)；B = 二次侧流体的出口温度 (T2)；D = 背压所对应的饱和蒸汽温度 (T(背压))。

设定温度为60℃时

= cp T (kW)

= 1.5kg/s x 4.19 kJ/kg℃ x (60 - 20) ℃= 251 kW

失流时热负荷 = 0.5555 x 251 kW失流时热负荷 = 140 kW

冷凝水排向大气环境，大气压力下饱和蒸汽的蒸发焓hfg为2257 kJ/kg.

140 kW×3600 s/h

失流时热负荷 =

失流时热负荷 = 223 kg/h（设定温度为60℃）

从上面的计算可以看出，当二次侧的设定温度从70℃降为60℃时，失流时的蒸汽负荷从168 kg/h上升到223 kg/h。

因此，对于这些设定温度可能降低的应用，疏水装置如浮球式疏水阀或泵阀组合的选择需要按照设定点较低时的失流工况条件进行选择，这一点非常重要。使用失流图说明设定温度降低造成的影响。

图13.7.1的失流图给出了设定温度为70℃时，二次侧的温度线CB和对应的蒸汽温度线AB。

D - B

失流负荷百分比 =

100 -60

失流负荷百分比 =

40

×100失流负荷百分比 =

失流负荷百分比 = 55.55(失流系数 0.5555)

温度(℃)

热负荷百分比

图13.7.1 满负荷工况 — 设定温度为70℃

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如前所述，一旦运行条件已知，可以通过比例的方法在失流图上演示设定点降低所造成的影响。如图13.7.2所示，在二次侧温度线CB上找出出口温度为60℃的对应点（点D），经过点D在蒸汽温度线AB下方作一条平行线DE与左侧纵轴交余点E。

)

℃(度温

负荷百分比

图13.7.2 确定蒸汽温度 — 设定点改为60℃

线DE与左侧纵轴的交点为132℃（点E）， 这就是二次侧流体流量不变，设定温度降低至60℃时需要的蒸汽温度。线DE代表设定温度为60℃时，换热器内的蒸汽温度。

一旦确定此时的蒸汽温度为132℃，就可以在新的失流图上重新画出蒸汽温度线DE，代表温度从132℃降低到60℃；以及二次侧温度线CD，代表温度从20℃上升到60℃。新失流图13.7.3示出了当设定温度降低到60℃时的温度变化情况，当二次侧入口温度上升到60℃时，换热器的负荷就降低为零。

)

℃(度温负荷百分比

图13.7.3 蒸汽和二次侧曲线 — 设定点为60℃

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在图13.7.4上绘出背压所对应的温度线HJ（100℃），这样就可能得出当设定温度为60℃下换热器发生失流时对应的二次侧流体入口温度。

失流发生时的负荷约占满负荷的55%（点F），此时二次侧流体的入口温度约为38℃（点G）。

温度(℃)

负荷百分比

图13.7.4 增加了背压线

结合图13.7.1和图13.7.3，我们很容易看出当出口设定温度从70℃降为60℃时对失流负荷的影响。在图13.7.5上，我们可以画出两条蒸汽温度线AB（160℃到70℃）和ED（132℃到60℃），它们和背压线JH交于不同的位置。热负荷较高时（设定温度为70℃）失流点约为33%（点F1）；当负荷较低时（设定温度为60℃）失流点约为55%（点F2）。

温度(℃)

负荷百分比

图13.7.5 失流点的变化

必须注意的是以上所对应的负荷百分数是基于不同的负荷的。在例13.7.1中，当二次侧出口设定温度为70℃时满负荷时的换热量为314kW；当设定点降为60℃时，满负荷时的换热量也降为251kW。

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例如

当二次侧出口设定温度为70℃时：

满负荷时的换热量为314 kW，失流发生时的负荷约为满负荷的33.33%。

0.3333 × 314 kW × 3600 s/h

当二次侧出口设定温度为60℃时：

满负荷时的换热量为251kW，失流发生时的负荷约为满负荷的55.55%。

0.5555 × 251 kW × 3600 s/h

从上面的计算我们很容易可以发现，当设定温度降低时，换热器发生失流时的负荷反而增加了。从图13.7.6所示的失流图上可以看出两种不同设定温度下失流发生的二次侧流体入口温度，这对诊断换热器是否发生失流很有帮助。

)

℃(度温负荷百分比

图13.7.6 两种失流工况下不同的介质温度入口

当设定温度为70℃时，二次侧入口温度上升为53℃时(点G1)，换热器会发生失流；当设定温度为60℃时，二次侧入口温度上升为38℃时(点G2)，换热器会发生失流；当然，可以通过公式13.2.4验证以上结果。

在较高的设定温度时, T2 = 70℃T1 = 100 - [1.555 (100 - 70)]T1 = 100 - [1.555 (30)]T1 = 100 - 46.7T1 = 53.3℃

较低的设定温度, T2 = 60℃T1 = 100 - [1.555 (100 - 60)]T1 = 100 - [1.555 (40)]T1 = 100 - 62.2T1 = 37.8℃

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总结

从以上的信息可以得知，设定点温度降低时失流负荷反而增大。事实上，随着设定温度的不断降低，失流负荷会逐渐增大，直至换热器内的压力降低到和冷凝水管道内的背压相同。我们同样可以利用图13.7.7所示的失流图预测当设定温度降低到何种程度时，换热器内会一直发生失流。在此例中，当换热器内的蒸汽压力降低与冷凝水管道背压相同时，也就是换热器内温度降低到100℃（点K）时，换热器内会一直发生失流。

在图13.7.7中，我们可能过以下方法确定室换热器一直发生失流时的二次侧设定温度。从背压所对应的饱和蒸汽温度100℃点（点K），作一直线KL与满负荷时的温度线AB平行交右侧纵轴为点L。新的蒸汽温度线与二侧温度线BC交于点M，点M所对应的温度约为49℃。此例中，当换热器二次侧流体出口的设定温度降低到49℃或更低时，换热器内会一直发生失流。

温度(℃)

负荷百分比

图13.7.7 例13.7.1中，在100%失流负荷时出口温度约为49℃

选择合适的疏水装置

确定换热器内的蒸汽压力和其对应负荷的最终目的是要选择合适的疏水装置以排除各种工况下换热器内的冷凝水。

在此例中，需要根据以下信息选择疏水装置。最大蒸汽负荷 此负荷下的蒸汽压力 冷凝水系统背压 疏水装置的工作压差 失流时的蒸汽负荷 失流时的蒸汽负荷

= 543 kg/h （设定温度为70℃） = 5.2 bar g

= 0 bar g (大气压力) = 5.2 bar （满负荷时） = 168kg/h （设定温度为70℃） = 224kg/h （设定温度为60℃）

失流时疏水装置的工作压差 = 0 bar

在例13.7.1中，浮球式疏水阀必须同时满足以下两种情况下的冷凝水量

1. 必须能够排放满负荷时的冷凝水量，例如5.2 bar压差下排放543kg/h的冷凝水量。2. 必须排放失流状态下的冷凝水量，例如设定温度为60℃时的失流负荷224kg/h。为浮球式疏水阀提供静压头

当失流发生时，换热器内的蒸汽压力等于冷凝水系统的背压，疏水阀的前后没有压差推动冷凝水从疏水阀排出。因此，需要在疏水阀上游利用静压的型式产生一定的压力用于排除冷凝水。

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13.7

换热器冷凝水出口到疏水阀进口之间的静压头必须能够提供足够的压差使疏水阀可以排放224kg/h的冷凝水量。为了能够使换热器内的冷凝水能够更容易的排放，可以如图13.7.8所示在换热器蒸汽进口和控制阀之间安装一个破真空器。

从图13.7.9中可以看出DN25(1″)FT14－10浮球式疏水阀可以满足排水的要求。但是，为了使疏水阀能够在失时排放224kg/h的冷凝水，疏水阀前端必须要有4m的高度。

从实际应用中一般很难保证疏水阀前有4m的高度，因此，一般情况下通常会选择一个口径较大的疏水阀。如图13.7.8所示。

对于例13.7.1，如果疏水前可提供的安装高度只有200mm，从图13.7.10中可以看出DN40（1/2″）FT14－10能够满足冷凝水的排放要求。

图13.7.8 疏水阀的口径与静压头的高度有关

注:

如果冷凝水管道的背压大于大气压力，例如疏水阀后冷凝水管道有一定的提升或排放到具有压力的冷凝水管线，同样可以用以上的方法确定失流负荷和疏水阀口径。随着背压的不断增大，即使最大口径的疏水阀也有可能不能完成失流时的冷凝水排放。

在这种情况下，仅仅安装一个浮球式疏水阀已经不能满足要求，否则换热器内就会发生积水现象。这时我们需要采用冷凝水泵和疏水阀组合的型式，它可以在任何负荷下把换热器中的冷凝水有效的排除到冷凝水系统中。

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5.2 bar 224 kg/h失流负荷

(0.4 bar) (4 m静压

压差(bar)

图13.7.9

(5.2 bar)

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疏水阀上端有200mm的安装高度

压差 (mm w.g.)

图13.7.10

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Questions

1. How does a reduction in set point affect stall? a| It does not affect it at all b| It reduces the percentage stall

c| The system operates under permanent stall conditions d| It increases the percentage stall

2. How does a reduction in the set point affect the steam pressure? a| It reduces the steam pressure b| It does not affect it at all c| It increases the steam pressure

d| The steam pressure equals the backpressure

3. In Example 13.7.1, with the set point at 60°C what would the steam temperature be if the system were operating at 30% heat load?

a| 100°C b| 110°C c| 120°C d| 80°C

4. In Example 13.7.1, with the set point at 60°C if the minimum possible heat load were 70%, would the system stall? a| Yes, at all loads

b| Only if the set point were increased c| No

d| Yes, but only on loads higher than 70%

5. If, in Example 13.7.1, the set point were reduced to 40°C, what would be the approximate steam temperature if the inlet temperature remained at 20°C? a| 66°C b| 45°C c| 55°C d| 76°C

6. If, in Example 13.7.1, the set point were reduced to 40°C, what would be the approximate steam temperature if the inlet temperature rose to 30°C? a| 28°C b| 38°C c| 48°C d| 58°C

1: d, 2: a, 3: d, 4: c, 5: d, 6: d

Answers

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kodm.html