浮球式自平衡疏水装置及其疏水通流面积计算方法与流程

本发明涉及一种浮球式自平衡疏水装置及其疏水通流面积计算方法。适用于维持凝结水水位以保持加热蒸汽进出平衡的疏水装置，属于电力系统的蒸汽加热设备技术领域。

背景技术：

疏水系统是蒸汽加热工艺中的重要系统，性能良好的疏水系统可以保证只排出凝结水而防止高品位的蒸汽泄漏损耗，疏水系统还能用于维持凝结水水位以保持加热蒸汽的进出平衡。

目前对疏水的平衡主要有机械式、热动力式、热静力式、气液两相平衡系统、动力输送系统和水位调节阀等。具体如下：

1、机械式，主要有自由浮球式、杠杆浮球式、倒吊桶式等，利用疏水的浮力驱动阀门开启，利用浮球自身重力关闭阀门。该机械式适用范围较广，对疏水过冷度没有要求，但存在机械运动部件多、容易发生故障等问题。

2、热动力式，热动力型疏水阀有圆盘式、脉冲式、孔板式等，利用蒸汽的动能或势能(差压)驱动阀芯关闭；当疏水进入阀门时，蒸汽流量减少不能维持阀门关闭，疏水就从阀内排出。该热动力式虽然不受疏水过冷度影响，但存在蒸汽泄漏、易造成热量损失或环境污染等问题。

3、热静力式，主要是利用蒸汽和凝结水的温差引起感温元件的变型或膨胀带动阀心启闭阀门。但热静力式要求疏水有过冷度才能工作，不适合用于饱和状态下的疏水工况，存在工作环境要求高、适用范围小的问题。

4、气液两相平衡系统，与热动力式有一定相似度，但是这种疏水系统没有运动的阀芯，主要利用汽水两相的自平衡状态保持疏水，虽然有一定的自平衡功能，但是需要根据运行压力精确的调节蒸汽管流量，运行压力波动大时，气液两相比例变化也会影响实际使用效果。同样存在工作环境要求高、适用范围小的问题。

5、动力输送系统，是根据液位启动水泵进行疏水排放，液位低时关闭水泵，实现疏水水位可控；动力输送适合大流量工况，但流量小的时候输送泵难选型，而且输送介质为饱和水，需要有足够的倒灌压头防止泵汽蚀，对布置有较高的要求。同样存在工作环境要求高、适用范围小的问题。

6、水位调节阀，根据液位打开水位调节阀，可以进行连续调节或者开关型间断调节，以实现疏水水位控制。水位调节阀灵活性较高。但是存在连续调节时阀后容易因节流产生两相流而损坏阀芯和阀后管道；采用开关两位式调节，阀门启闭频率高，阀芯容易损坏。同样存在工作环境要求高、适用范围小的问题。

因此，上述的各种疏水阀或疏水系统使用都存一定的缺陷，或者是机械运动部件多、容易发生故障等问题，或者存在蒸汽泄漏、易造成热量损失或环境污染等问题。或者存在工作环境要求高、适用范围小的问题。无法满足一些需要加热器内保持水位的设计要求。

技术实现要素：

本发明的目的之一，为了解决现有平衡疏水的疏水阀或疏水系统存在机械运动部件多、容易发生故障或容易产生动作不灵、蒸汽泄漏或不能保持加热器内水位等问题，提供一种浮球式自平衡疏水装置。该浮球式自平衡疏水装置具有结构简单、机械运动部件少、坚固耐用及防止蒸汽泄漏、防止热量损失及防止环境污染等特点。工作环境要求低、适用范围广泛。

本发明的目的之二，是为了提供一种浮球式自平衡疏水装置的疏水通流面积计算方法。

本发明的目的之一可以通过以下技术方案实现：

浮球式自平衡疏水装置，包括壳体、浮球、排水管道、进水管道结构和气平衡管道，所述壳体设置在高于疏水系统中换热器的正常水位位置，在壳体的底端设有出水口，在出水口处设置浮球、以打开或关闭出水口，在壳体的顶部通过气平衡管道连通换热器上部气体空间位置、以形成平衡壳体内与换热器之间气压的气动平衡结构；壳体具有进水端和排水端，壳体的进水端通过进水管道结构连通换热器的出水端、以将换热器的疏水输送至壳体内；壳体的排水端设置在壳体的底面通过连通排水管道、用于疏水的排放；形成浮球的水力自衡结构。

本发明使用时，利用浮球在壳体内疏水流入产生浮力进行自动平衡水位和流量，利用气平衡管道平衡壳体内与换热器之间的气压，由此可保持加热器内水位和满足加热器内需要保持水位的要求，同时有效避免超过适用范围会产生动作不灵、蒸汽泄漏等问题。

本发明的目的之一还可以通过以下技术方案实现：

进一步的，所述出水口为圆锥形，在出水口的下端设有浮球托盘，该浮球托盘位于浮球的底部，在浮球托盘中设有一圆孔，浮球放置在浮球托盘的圆孔处，使浮球通过与圆孔的离合控制关闭或打开出水口。

进一步的，所述浮球托盘为一块弧形面呈下凹式的固定板，所述的圆孔设在下凹最低位处。

进一步的，气平衡管道排量大于进水管道的1％-10％。

进一步的，所述浮球与出水口内壁之间保留有过水间隙。

进一步的，所述出水口的内壁四周分布有若干条导流槽，该导流槽用于将浮球上方的疏水导向浮球下方，形成浮球的浮起动力。

进一步的，所述壳体为竖向的圆筒形结构；进水管道结构由一条或多条水管构成。

进一步的，所述进水管道设有切换阀门。

进一步的，所述过水间隙为0-150mm。

本发明的目的之二可以通过以下技术方案实现：

浮球式自平衡疏水装置的疏水通流面积计算方法，通过壳体的剖面曲线与浮球的直径进行计算，其通流面积的函数表达为：

A＝F(dH，H)

dH＝f(H)

Q＝A×ω

式中：

A——疏水通流面积，即浮球与壳体之间的环形通流面积；

dH——在浮球高度位置H处，壳体的内壁直径；

H——浮球的高度位置；

Q——疏水流量；

ω——疏水通过通流面积处的流速。

本发明的具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

1、本发明所述壳体设置在高于疏水系统中换热器的正常水位位置，在壳体的底端设有出水口，在出水口处设置浮球、以打开或关闭出水口，在壳体的顶部通过气平衡管道连通换热器上部气体空间位置、以形成平衡壳体内与换热器之间气压的气动平衡结构；壳体具有进水端和排水端，壳体的进水端通过进水管道结构连通换热器的出水端、以将换热器的疏水输送至壳体内；壳体的排水端设置在壳体的底面通过连通排水管道、用于疏水的排放；形成浮球的水力自衡结构，因此能够解决现有平衡疏水的疏水阀或疏水系统存在机械运动部件多、容易发生故障或容易产生动作不灵、蒸汽泄漏或不能保持加热器内水位等问题，具有结构简单、机械运动部件少、坚固耐用及防止蒸汽泄漏、防止热量损失及防止环境污染和工作环境要求低、适用范围广泛等特点和有益效果。

2、本发明通过在出水口设置浮球，浮球在壳体内疏水的浮力作用下自动上下浮动，控制出水口的通流面积，因此，疏水的通流面积可随疏水流量变化而变化，同时壳体有一定的蓄水缓冲空间，可以适合很宽的流量范围使用。在流量突然发生变化时，浮球不会突然起动或者突然关闭，具有流量变化的缓冲时间，避免了浮球频繁起动损坏，也减少了管道水击的可能性，因此使用性能稳定，有效地控制疏水流量的平衡效果。

3、本发明壳体上设有气平衡管道，使浮球上方的气体可以回流到换热器内，不需要设置额外的排空装置，也不需要靠近换热器疏水出口布置，在大流量疏水突然需要排出时也不会发生“气塞”。由于不存在“气塞”，疏水装置可以在任意的合理位置布置，不需要靠近换热器疏水口布置，应用时不受地理位置限制，灵活方便。

4、本发明的进水管道与换热器连通处低于正常液位布置，可以保持在液面以下吸水，避免吸入液面上的泡沫或气体，避免管道内产生气液两相流而振动，进一步提高本发明的使用性能。

5、本发明的疏水通流面积计算方法可有效的根据换热器的疏水平衡排放量进行计算，设计壳体与浮球的结构，使浮球在壳体内疏水的压力产生浮力下进行浮起，合理地平衡疏水的排放效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施例1：

参照图1和图2所示的浮球式自平衡疏水装置，包括壳体1、浮球2、排水管道4、进水管道结构5和气平衡管道6，所述壳体1设置在高于疏水系统中换热器7的正常水位位置A，在壳体1的底端设有出水口11，在出水口11处设置浮球2、以打开或关闭出水口11，在壳体1的顶部通过气平衡管道6连通换热器7上部气体空间位置、以形成平衡壳体1内与换热器7之间气压的气动平衡结构；壳体1具有进水端和排水端，壳体1的进水端通过进水管道结构5连通换热器7的出水端、以将换热器7的疏水输送至壳体1内；壳体1的排水端设置在壳体1的底面通过连通排水管道4、用于疏水的排放；形成浮球2的水力自衡结构。

实施例中，所述壳体1为竖向的圆筒形结构；进水管道结构5由一条水管构成。所述出水口11设在壳体1的底端，该出水口11为圆锥形，所述浮球2与圆锥形的出水口11内壁之间保留有0～150mm的过水间隙。在出水口11的下端设有一浮球托盘3，该浮球托盘3位于浮球2的底部，在浮球托盘3中设有一圆孔31，所述浮球2放置在浮球托盘3的圆孔31处，使浮球2通过与圆孔31的离合控制关闭或打开出水口11，即浮球2在壳体内疏水的压力下产生浮力上升与圆孔31产生距离/间距，使出水口11打开，或浮球2下降时与圆孔31产生吻合，使出水口11关闭。

本实施例的加热器为管壳式加热器，应用中，以浮球2作为执行部件，不受疏水过冷度的影响，并以静压平衡为原理，可自动平衡以保持加热器内水位在指定位置上。

使用时，壳体1内腔作为浮球2以及汽水缓冲空间，浮球2设置壳体1的出水口11处，具体的，浮球2位于圆锥形的出水口11处，利用浮球托盘3托起，使浮球2与内壁之间保留有0～150mm的间隙。允许少量疏水先进入浮球下部。当疏水进入壳体1后，浮球2在壳体1疏水量增加、浮力增大的作用下上升，浮球2与内壁产生的过水间隙随之增大，使浮球2与浮球托盘3的圆孔31产生距离，打开出水口11，可让疏水向下流出；由于浮球2位置的出水口11内壁是锥形，浮球2浮起高度越高，与内壁之间的间隙越大，环形的疏水通流面越大，因此浮球2与壳体锥形出水口11配合就具备了随疏水量大小自动调节通流面积的功能，浮球2升起离开锥形出水口11处时，通流能力达到最大。同时，在浮球2与壳体1相互配合具备疏水流量自调节功能，可以避免小流量疏水工况下浮球频繁开关而导致磨损损坏，也可以减小水击的发生可能，增强浮球的使用性能和延长使用期限。

所述浮球2为自平衡疏水装置的关键部件，为一个精密加工的空心球体，其球体的整体密度小于疏水的球体，浮球2安装在壳体1的锥形出水口11处，作为关闭元件以及流量调节装置，当疏水进入壳体时，浮球2浮起打开出水口11，当疏水减少或者停止时，浮球2落下关闭排出口。

所述浮球托盘3为一块弧形面呈下凹式的固定板，所述的圆孔31设在下凹最低位处。浮球托盘3既作为浮球2的承托面，也作为密封面。当没有疏水时，浮球2不受浮力，在重力作用下落到最低位并封闭圆孔31，该圆孔即为开口通孔，浮球2与浮球托盘3的圆孔31边缘严密结合，此时处于关闭状态，蒸汽不会泄漏；当疏水进入时，浮球2在浮力作用下升起，就打开密封面(即打开浮球托盘3上圆孔)，此时为开启状态，把疏水及时排出。

所述排水管道4与壳体1最低位连接，使疏水排至下游。排水管道4的内径与最大疏水量相关，按照疏水容积流速0.5～1m/s反算可得排水管道内径。

所述进水管道5与壳体1的中部相连，进水管道5的内径可以按疏水容积流速1～2m/s进行计算，如果管道较短，也可以超过此流速。该进水管道5与换热器7连通处低于正常液位布置，可以保持在液面以下吸水，避免吸入液面上的泡沫或气体，避免管道内产生气液两相流而振动。

进水管道5进行了特殊设计以实现两项功能：利用液体静压平衡原理，进水管道5进入壳体1位置与正常液位水平等高，与气平衡管道6联合作用，只有液位(所述液位为疏水的高度位置)高于正常液位线的疏水可以排出，低于正常液位线的疏水在液体静压作用下不能排出，保证了换热器7内部的液位平衡。为了避免吸入液面上部的泡沫或气体，与加热器7连接的一端低于正常液位线(如图1中标记h所示)，h一般按10～50mm考虑。使进水管道5不会吸入液面上部的泡沫与气体，不会产生气液两相流，因此，就不会造成管道振动和噪音。

所述气平衡管道6与换热器7上部气体空间连通，使壳体1的气压与换热器7相通，避免换热器7内压力远大于排水管道4出口压力时浮球被压死，也避免壳体1内气体不能排出而造成“气塞”。同时气平衡管道6破坏了进水管道5的虹吸效应，这使得换热器7内的疏水只能依靠液体(即疏水)自身的高度差排出，低于进水管道5末端(与壳体1连接处)高度的疏水不能被排出。

为了达到更佳的平衡效果，所述气平衡管道6排量大于进水管道5的1％～10％以上。具体的，气平衡管道6的内径与进水管道5按比例选取，内径比例优选值为1：30～1：50。选择更大内径的气平衡管道6不影响使用效果，但是气平衡管道6内径偏小时，在大流量疏水且浮球未打开的瞬间可能会出现流通不畅。

所述的进水管道5与气平衡管道6应用时，进水管道5与气平衡管道6控制换热器7内液位在设定位置处。设计时给定进水管道5末端的高度就可以得到正常液位的设计高度，或者根据要求的正常液位高度以设计进水管道5末端(即连接壳体1位置的一端)的高度，即所述的进水管道5通过接入壳体1与换热器7之间的相对位置进行调整设定液位位置，进水管道5接入壳体1位置越高，换热器的液位越高，气平衡管道6用于平衡壳体内与换热器7内的气压，使浮球2在正常浮起，控制出水口11排风疏水。

上述浮球式自平衡疏水装置的疏水通流面积计算方法，由于浮球的直径与锥形出水口11直径是关联的，疏水通流面积是浮球升起高度以及锥形出水口11内壁直径的函数，通过壳体的剖面曲线与浮球的直径可以进行计算，同时满足疏水最大设计流量和最小设计流量的要求。其通流面积的函数表达式为：

A＝F(d_H，H)

d_H＝f(H)

Q＝A×ω

式中：

A——疏水通流面积，即浮球与壳体之间的环形通流面积

d_H——在浮球高度位置H处，壳体的内壁直径

H——浮球的高度位置

Q——疏水流量

ω——疏水通过通流面积处的流速

由上计算通式所得，疏水通流通流面积随浮球2升起高度变化而变化；疏水量越大，浮球2升起高度越高，通流面积随着疏水量变化而自动调整，以致可合理地平衡疏水的排放效果。

具体实施例2：

本实施的的技术特点是：如图3所示，所述进水管道结构5由多条水管构成，该进水管道5一端接入换热器7，另一端接入壳体1的连接管，各连接管将换热器7的疏水输送至壳体1内。所述出水口11的内壁四周分布有若干条导流槽，该导流槽用于将浮球2上方的疏水导向浮球2下方，形成浮球的浮起动力。在壳体1和换热器77之间可以设置多个标高不同的进水管道5，并在进水管道5上设置切换阀门51，实现多种水位自动控制。其余同上实施例。