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汽-水换热系统水击成因及消除措施
李靖，王文静，刘义坤，孙思前，方晓冬，张勃龙
（机械工业第九设计研究院股份有限公司天津分公司， 天津 300113）
蒸汽管网的水击现象多由于管路疏水不畅，留存有凝结水，高速蒸汽推动凝结水撞击管道进而使管道剧烈振动，同时伴随有巨大声响。或者是蒸汽管道暖管不充分，疏水不彻底，导致部分蒸汽凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质高速向此处撞击，产生巨大的冲击力。水击危害很大，轻则使管子、阀门等管道组成件振动、破裂，重则造成设备损坏，甚至人员伤亡等安全事故。因此，蒸汽管网水击的成因及防治措施研究至关重要。
已有诸多研究者对蒸汽管网水击的危害、成因及防治措施进行了相关研究，取得了一些有意义的成果［1-4］。本文以某汽-水换热系统为研究对象，对水击的成因进行分析，提出消除措施。
某换热站设置3台汽-水换热器，并联安装，系统流程见图1。每台换热器额定换热量9.0 MW，换热器二级侧设计供、回水温度为95、70 ℃，为汽车涂装车间提供生产热水。蒸汽供汽压力0.4 MPa、温度150 ℃，由分汽缸分为3路，分别供给3台换热器。每条蒸汽支路均设置电动调节阀，蒸汽与二级侧热水换热，换热后产生的凝结水通过疏水阀，依靠蒸汽背压提升至4.0 m高度，并流入凝结水罐。
换热器根据涂装车间热负荷顺序投入或者退出：当二级侧出水温度低于设定供水温度（指涂装车间某热负荷对应的供水温度），且运行换热器配套电动调节阀处于全开状态并持续10 min时，进入加机流程，增加换热器运行数量。当二级侧出水温度高于设定供水温度，且运行换热器数量大于1台时，同时减小所有运行换热器配套电动调节阀相对开度，当所有电动调节阀相对开度小于40%并持续10 min，进入减机流程，关闭1台换热器。
在运行过程中发现，有两种情况产生较为严重的水击现象：一种情况是在换热系统长时间停机后，再次启动的过程中。另一种情况是在换热系统运行阶段，换热器加机过程中。而当涂装车间用热较为稳定时，换热系统运行平稳，无水击现象。
情况一：在换热系统长时间停机后，电动调节阀前后蒸汽管道和换热器中留存的蒸汽冷却凝结，此时电动调节阀已关闭，电动调节阀后蒸汽管道已无压力或压力很小，无法再将凝结水抬升至4.0 m高度，凝结水积存在管道低点。待换热器再次启动，电动调节阀打开后，高温高速蒸汽与管子中凝结水相遇，产生水击。
情况二：在换热系统运行期间，应涂装车间热负荷降低要求，实施减机运行时，退出运行的换热器配套电动调节阀关闭，电动调节阀前蒸汽管道因热损失产生的凝结水无法排出。电动调节阀后蒸汽管道中留存的蒸汽冷却凝结，此时蒸汽管道已无压力或压力很小，无法提升凝结水排放，凝结水积存在管道低点。当涂装车间热负荷增大，实施加机运行时，启动运行的换热器一路电动调节阀开启，高温高速蒸汽与管子中凝结水相遇，产生水击。
实际运行中发现，当换热系统运行时（无论是1台换热器单独运行，还是2、3台换热器同时运行）无水击情况发生，说明管道无堵塞，疏水阀工作正常，蒸汽背压能够满足凝结水抬升高度要求。因此，结合水击成因分析结果，消除换热系统水击的关键是使疏水顺利，保证蒸汽管中无凝结水积存。
针对换热系统长时间停机后管道低点积存凝结水，考虑两种改造方案：一是将换热系统凝结水由提升排放改为重力顺坡排放，降低凝结水排放母管标高；二是在管道低点增设手动泄水阀，开机通蒸汽前排放凝结水。根据现场实际情况，由于凝结水罐在高处，无法实现凝结水由提升排放改为重力顺坡排放，因此采用管道低点增设手动泄水阀的方案。增设手动泄水阀的汽-水换热系统流程见图2。
实践中发现，在换热系统运行期间，手动泄水阀关闭过早或过晚均不能有效消除水击。关闭过早不能将管道中积存的凝结水完全排出，而关闭过晚时凝结水由重力排放突然变为背压排放，这一过程中仍发生轻微水击。因此，对于换热系统运行期间的水击现象，单纯靠增设手动泄水阀无法彻底解决。经过讨论，修改换热器控制策略，由原设计的加减机控制改为3台换热器同时运行，同步调节3个电动调节阀的开度以适应涂装车间热负荷需求。
手动泄水阀在换热器启动前开启，在蒸汽管道内蒸汽温度、压力均达到设定值后关闭。运行效果显示，手动泄水阀可完全消除换热器启动阶段的水击。
采取改进控制策略后，换热系统运行阶段再未出现水击现象，这说明改进控制策略对消除运行阶段的水击有效。
① 汽-水换热系统的凝结水应尽量重力排放，依靠蒸汽背压排放的换热系统应在管道低点或局部低点设置手动泄水阀，用于换热系统长时间停机后再次启动过程中的排水。
② 多台汽-水换热器并联运行时，宜采取多台换热器同时运行、同步调节的控制策略。
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