本發(fā)明涉及一種浮球式自平衡疏水裝置及其疏水通流面積計(jì)算方法。適用于維持凝結(jié)水水位以保持加熱蒸汽進(jìn)出平衡的疏水裝置，屬于電力系統(tǒng)的蒸汽加熱設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

疏水系統(tǒng)是蒸汽加熱工藝中的重要系統(tǒng)，性能良好的疏水系統(tǒng)可以保證只排出凝結(jié)水而防止高品位的蒸汽泄漏損耗，疏水系統(tǒng)還能用于維持凝結(jié)水水位以保持加熱蒸汽的進(jìn)出平衡。

目前對(duì)疏水的平衡主要有機(jī)械式、熱動(dòng)力式、熱靜力式、氣液兩相平衡系統(tǒng)、動(dòng)力輸送系統(tǒng)和水位調(diào)節(jié)閥等。具體如下：

1、機(jī)械式，主要有自由浮球式、杠桿浮球式、倒吊桶式等，利用疏水的浮力驅(qū)動(dòng)閥門開啟，利用浮球自身重力關(guān)閉閥門。該機(jī)械式適用范圍較廣，對(duì)疏水過冷度沒有要求，但存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件多、容易發(fā)生故障等問題。

2、熱動(dòng)力式，熱動(dòng)力型疏水閥有圓盤式、脈沖式、孔板式等，利用蒸汽的動(dòng)能或勢(shì)能(差壓)驅(qū)動(dòng)閥芯關(guān)閉；當(dāng)疏水進(jìn)入閥門時(shí)，蒸汽流量減少不能維持閥門關(guān)閉，疏水就從閥內(nèi)排出。該熱動(dòng)力式雖然不受疏水過冷度影響，但存在蒸汽泄漏、易造成熱量損失或環(huán)境污染等問題。

3、熱靜力式，主要是利用蒸汽和凝結(jié)水的溫差引起感溫元件的變型或膨脹帶動(dòng)閥心啟閉閥門。但熱靜力式要求疏水有過冷度才能工作，不適合用于飽和狀態(tài)下的疏水工況，存在工作環(huán)境要求高、適用范圍小的問題。

4、氣液兩相平衡系統(tǒng)，與熱動(dòng)力式有一定相似度，但是這種疏水系統(tǒng)沒有運(yùn)動(dòng)的閥芯，主要利用汽水兩相的自平衡狀態(tài)保持疏水，雖然有一定的自平衡功能，但是需要根據(jù)運(yùn)行壓力精確的調(diào)節(jié)蒸汽管流量，運(yùn)行壓力波動(dòng)大時(shí)，氣液兩相比例變化也會(huì)影響實(shí)際使用效果。同樣存在工作環(huán)境要求高、適用范圍小的問題。

5、動(dòng)力輸送系統(tǒng)，是根據(jù)液位啟動(dòng)水泵進(jìn)行疏水排放，液位低時(shí)關(guān)閉水泵，實(shí)現(xiàn)疏水水位可控；動(dòng)力輸送適合大流量工況，但流量小的時(shí)候輸送泵難選型，而且輸送介質(zhì)為飽和水，需要有足夠的倒灌壓頭防止泵汽蝕，對(duì)布置有較高的要求。同樣存在工作環(huán)境要求高、適用范圍小的問題。

6、水位調(diào)節(jié)閥，根據(jù)液位打開水位調(diào)節(jié)閥，可以進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)或者開關(guān)型間斷調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)疏水水位控制。水位調(diào)節(jié)閥靈活性較高。但是存在連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)閥后容易因節(jié)流產(chǎn)生兩相流而損壞閥芯和閥后管道；采用開關(guān)兩位式調(diào)節(jié)，閥門啟閉頻率高，閥芯容易損壞。同樣存在工作環(huán)境要求高、適用范圍小的問題。

因此，上述的各種疏水閥或疏水系統(tǒng)使用都存一定的缺陷，或者是機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件多、容易發(fā)生故障等問題，或者存在蒸汽泄漏、易造成熱量損失或環(huán)境污染等問題?；蛘叽嬖诠ぷ鳝h(huán)境要求高、適用范圍小的問題。無(wú)法滿足一些需要加熱器內(nèi)保持水位的設(shè)計(jì)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一，為了解決現(xiàn)有平衡疏水的疏水閥或疏水系統(tǒng)存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件多、容易發(fā)生故障或容易產(chǎn)生動(dòng)作不靈、蒸汽泄漏或不能保持加熱器內(nèi)水位等問題，提供一種浮球式自平衡疏水裝置。該浮球式自平衡疏水裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件少、堅(jiān)固耐用及防止蒸汽泄漏、防止熱量損失及防止環(huán)境污染等特點(diǎn)。工作環(huán)境要求低、適用范圍廣泛。

本發(fā)明的目的之二，是為了提供一種浮球式自平衡疏水裝置的疏水通流面積計(jì)算方法。

本發(fā)明的目的之一可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

浮球式自平衡疏水裝置，包括殼體、浮球、排水管道、進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)和氣平衡管道，所述殼體設(shè)置在高于疏水系統(tǒng)中換熱器的正常水位位置，在殼體的底端設(shè)有出水口，在出水口處設(shè)置浮球、以打開或關(guān)閉出水口，在殼體的頂部通過氣平衡管道連通換熱器上部氣體空間位置、以形成平衡殼體內(nèi)與換熱器之間氣壓的氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)；殼體具有進(jìn)水端和排水端，殼體的進(jìn)水端通過進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)連通換熱器的出水端、以將換熱器的疏水輸送至殼體內(nèi)；殼體的排水端設(shè)置在殼體的底面通過連通排水管道、用于疏水的排放；形成浮球的水力自衡結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明使用時(shí)，利用浮球在殼體內(nèi)疏水流入產(chǎn)生浮力進(jìn)行自動(dòng)平衡水位和流量，利用氣平衡管道平衡殼體內(nèi)與換熱器之間的氣壓，由此可保持加熱器內(nèi)水位和滿足加熱器內(nèi)需要保持水位的要求，同時(shí)有效避免超過適用范圍會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作不靈、蒸汽泄漏等問題。

本發(fā)明的目的之一還可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

進(jìn)一步的，所述出水口為圓錐形，在出水口的下端設(shè)有浮球托盤，該浮球托盤位于浮球的底部，在浮球托盤中設(shè)有一圓孔，浮球放置在浮球托盤的圓孔處，使浮球通過與圓孔的離合控制關(guān)閉或打開出水口。

進(jìn)一步的，所述浮球托盤為一塊弧形面呈下凹式的固定板，所述的圓孔設(shè)在下凹最低位處。

進(jìn)一步的，氣平衡管道排量大于進(jìn)水管道的1％-10％。

進(jìn)一步的，所述浮球與出水口內(nèi)壁之間保留有過水間隙。

進(jìn)一步的，所述出水口的內(nèi)壁四周分布有若干條導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽用于將浮球上方的疏水導(dǎo)向浮球下方，形成浮球的浮起動(dòng)力。

進(jìn)一步的，所述殼體為豎向的圓筒形結(jié)構(gòu)；進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)由一條或多條水管構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述進(jìn)水管道設(shè)有切換閥門。

進(jìn)一步的，所述過水間隙為0-150mm。

本發(fā)明的目的之二可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

浮球式自平衡疏水裝置的疏水通流面積計(jì)算方法，通過殼體的剖面曲線與浮球的直徑進(jìn)行計(jì)算，其通流面積的函數(shù)表達(dá)為：

A＝F(dH，H)

dH＝f(H)

Q＝A×ω

式中：

A——疏水通流面積，即浮球與殼體之間的環(huán)形通流面積；

dH——在浮球高度位置H處，殼體的內(nèi)壁直徑；

H——浮球的高度位置；

Q——疏水流量；

ω——疏水通過通流面積處的流速。

本發(fā)明的具有以下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步：

1、本發(fā)明所述殼體設(shè)置在高于疏水系統(tǒng)中換熱器的正常水位位置，在殼體的底端設(shè)有出水口，在出水口處設(shè)置浮球、以打開或關(guān)閉出水口，在殼體的頂部通過氣平衡管道連通換熱器上部氣體空間位置、以形成平衡殼體內(nèi)與換熱器之間氣壓的氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)；殼體具有進(jìn)水端和排水端，殼體的進(jìn)水端通過進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)連通換熱器的出水端、以將換熱器的疏水輸送至殼體內(nèi)；殼體的排水端設(shè)置在殼體的底面通過連通排水管道、用于疏水的排放；形成浮球的水力自衡結(jié)構(gòu)，因此能夠解決現(xiàn)有平衡疏水的疏水閥或疏水系統(tǒng)存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件多、容易發(fā)生故障或容易產(chǎn)生動(dòng)作不靈、蒸汽泄漏或不能保持加熱器內(nèi)水位等問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件少、堅(jiān)固耐用及防止蒸汽泄漏、防止熱量損失及防止環(huán)境污染和工作環(huán)境要求低、適用范圍廣泛等特點(diǎn)和有益效果。

2、本發(fā)明通過在出水口設(shè)置浮球，浮球在殼體內(nèi)疏水的浮力作用下自動(dòng)上下浮動(dòng)，控制出水口的通流面積，因此，疏水的通流面積可隨疏水流量變化而變化，同時(shí)殼體有一定的蓄水緩沖空間，可以適合很寬的流量范圍使用。在流量突然發(fā)生變化時(shí)，浮球不會(huì)突然起動(dòng)或者突然關(guān)閉，具有流量變化的緩沖時(shí)間，避免了浮球頻繁起動(dòng)損壞，也減少了管道水擊的可能性，因此使用性能穩(wěn)定，有效地控制疏水流量的平衡效果。

3、本發(fā)明殼體上設(shè)有氣平衡管道，使浮球上方的氣體可以回流到換熱器內(nèi)，不需要設(shè)置額外的排空裝置，也不需要靠近換熱器疏水出口布置，在大流量疏水突然需要排出時(shí)也不會(huì)發(fā)生“氣塞”。由于不存在“氣塞”，疏水裝置可以在任意的合理位置布置，不需要靠近換熱器疏水口布置，應(yīng)用時(shí)不受地理位置限制，靈活方便。

4、本發(fā)明的進(jìn)水管道與換熱器連通處低于正常液位布置，可以保持在液面以下吸水，避免吸入液面上的泡沫或氣體，避免管道內(nèi)產(chǎn)生氣液兩相流而振動(dòng)，進(jìn)一步提高本發(fā)明的使用性能。

5、本發(fā)明的疏水通流面積計(jì)算方法可有效的根據(jù)換熱器的疏水平衡排放量進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)殼體與浮球的結(jié)構(gòu)，使浮球在殼體內(nèi)疏水的壓力產(chǎn)生浮力下進(jìn)行浮起，合理地平衡疏水的排放效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的A-A剖視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

具體實(shí)施例1：

參照?qǐng)D1和圖2所示的浮球式自平衡疏水裝置，包括殼體1、浮球2、排水管道4、進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)5和氣平衡管道6，所述殼體1設(shè)置在高于疏水系統(tǒng)中換熱器7的正常水位位置A，在殼體1的底端設(shè)有出水口11，在出水口11處設(shè)置浮球2、以打開或關(guān)閉出水口11，在殼體1的頂部通過氣平衡管道6連通換熱器7上部氣體空間位置、以形成平衡殼體1內(nèi)與換熱器7之間氣壓的氣動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)；殼體1具有進(jìn)水端和排水端，殼體1的進(jìn)水端通過進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)5連通換熱器7的出水端、以將換熱器7的疏水輸送至殼體1內(nèi)；殼體1的排水端設(shè)置在殼體1的底面通過連通排水管道4、用于疏水的排放；形成浮球2的水力自衡結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例中，所述殼體1為豎向的圓筒形結(jié)構(gòu)；進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)5由一條水管構(gòu)成。所述出水口11設(shè)在殼體1的底端，該出水口11為圓錐形，所述浮球2與圓錐形的出水口11內(nèi)壁之間保留有0～150mm的過水間隙。在出水口11的下端設(shè)有一浮球托盤3，該浮球托盤3位于浮球2的底部，在浮球托盤3中設(shè)有一圓孔31，所述浮球2放置在浮球托盤3的圓孔31處，使浮球2通過與圓孔31的離合控制關(guān)閉或打開出水口11，即浮球2在殼體內(nèi)疏水的壓力下產(chǎn)生浮力上升與圓孔31產(chǎn)生距離/間距，使出水口11打開，或浮球2下降時(shí)與圓孔31產(chǎn)生吻合，使出水口11關(guān)閉。

本實(shí)施例的加熱器為管殼式加熱器，應(yīng)用中，以浮球2作為執(zhí)行部件，不受疏水過冷度的影響，并以靜壓平衡為原理，可自動(dòng)平衡以保持加熱器內(nèi)水位在指定位置上。

使用時(shí)，殼體1內(nèi)腔作為浮球2以及汽水緩沖空間，浮球2設(shè)置殼體1的出水口11處，具體的，浮球2位于圓錐形的出水口11處，利用浮球托盤3托起，使浮球2與內(nèi)壁之間保留有0～150mm的間隙。允許少量疏水先進(jìn)入浮球下部。當(dāng)疏水進(jìn)入殼體1后，浮球2在殼體1疏水量增加、浮力增大的作用下上升，浮球2與內(nèi)壁產(chǎn)生的過水間隙隨之增大，使浮球2與浮球托盤3的圓孔31產(chǎn)生距離，打開出水口11，可讓疏水向下流出；由于浮球2位置的出水口11內(nèi)壁是錐形，浮球2浮起高度越高，與內(nèi)壁之間的間隙越大，環(huán)形的疏水通流面越大，因此浮球2與殼體錐形出水口11配合就具備了隨疏水量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通流面積的功能，浮球2升起離開錐形出水口11處時(shí)，通流能力達(dá)到最大。同時(shí)，在浮球2與殼體1相互配合具備疏水流量自調(diào)節(jié)功能，可以避免小流量疏水工況下浮球頻繁開關(guān)而導(dǎo)致磨損損壞，也可以減小水擊的發(fā)生可能，增強(qiáng)浮球的使用性能和延長(zhǎng)使用期限。

所述浮球2為自平衡疏水裝置的關(guān)鍵部件，為一個(gè)精密加工的空心球體，其球體的整體密度小于疏水的球體，浮球2安裝在殼體1的錐形出水口11處，作為關(guān)閉元件以及流量調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)疏水進(jìn)入殼體時(shí)，浮球2浮起打開出水口11，當(dāng)疏水減少或者停止時(shí)，浮球2落下關(guān)閉排出口。

所述浮球托盤3為一塊弧形面呈下凹式的固定板，所述的圓孔31設(shè)在下凹最低位處。浮球托盤3既作為浮球2的承托面，也作為密封面。當(dāng)沒有疏水時(shí)，浮球2不受浮力，在重力作用下落到最低位并封閉圓孔31，該圓孔即為開口通孔，浮球2與浮球托盤3的圓孔31邊緣嚴(yán)密結(jié)合，此時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，蒸汽不會(huì)泄漏；當(dāng)疏水進(jìn)入時(shí)，浮球2在浮力作用下升起，就打開密封面(即打開浮球托盤3上圓孔)，此時(shí)為開啟狀態(tài)，把疏水及時(shí)排出。

所述排水管道4與殼體1最低位連接，使疏水排至下游。排水管道4的內(nèi)徑與最大疏水量相關(guān)，按照疏水容積流速0.5～1m/s反算可得排水管道內(nèi)徑。

所述進(jìn)水管道5與殼體1的中部相連，進(jìn)水管道5的內(nèi)徑可以按疏水容積流速1～2m/s進(jìn)行計(jì)算，如果管道較短，也可以超過此流速。該進(jìn)水管道5與換熱器7連通處低于正常液位布置，可以保持在液面以下吸水，避免吸入液面上的泡沫或氣體，避免管道內(nèi)產(chǎn)生氣液兩相流而振動(dòng)。

進(jìn)水管道5進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：利用液體靜壓平衡原理，進(jìn)水管道5進(jìn)入殼體1位置與正常液位水平等高，與氣平衡管道6聯(lián)合作用，只有液位(所述液位為疏水的高度位置)高于正常液位線的疏水可以排出，低于正常液位線的疏水在液體靜壓作用下不能排出，保證了換熱器7內(nèi)部的液位平衡。為了避免吸入液面上部的泡沫或氣體，與加熱器7連接的一端低于正常液位線(如圖1中標(biāo)記h所示)，h一般按10～50mm考慮。使進(jìn)水管道5不會(huì)吸入液面上部的泡沫與氣體，不會(huì)產(chǎn)生氣液兩相流，因此，就不會(huì)造成管道振動(dòng)和噪音。

所述氣平衡管道6與換熱器7上部氣體空間連通，使殼體1的氣壓與換熱器7相通，避免換熱器7內(nèi)壓力遠(yuǎn)大于排水管道4出口壓力時(shí)浮球被壓死，也避免殼體1內(nèi)氣體不能排出而造成“氣塞”。同時(shí)氣平衡管道6破壞了進(jìn)水管道5的虹吸效應(yīng)，這使得換熱器7內(nèi)的疏水只能依靠液體(即疏水)自身的高度差排出，低于進(jìn)水管道5末端(與殼體1連接處)高度的疏水不能被排出。

為了達(dá)到更佳的平衡效果，所述氣平衡管道6排量大于進(jìn)水管道5的1％～10％以上。具體的，氣平衡管道6的內(nèi)徑與進(jìn)水管道5按比例選取，內(nèi)徑比例優(yōu)選值為1：30～1：50。選擇更大內(nèi)徑的氣平衡管道6不影響使用效果，但是氣平衡管道6內(nèi)徑偏小時(shí)，在大流量疏水且浮球未打開的瞬間可能會(huì)出現(xiàn)流通不暢。

所述的進(jìn)水管道5與氣平衡管道6應(yīng)用時(shí)，進(jìn)水管道5與氣平衡管道6控制換熱器7內(nèi)液位在設(shè)定位置處。設(shè)計(jì)時(shí)給定進(jìn)水管道5末端的高度就可以得到正常液位的設(shè)計(jì)高度，或者根據(jù)要求的正常液位高度以設(shè)計(jì)進(jìn)水管道5末端(即連接殼體1位置的一端)的高度，即所述的進(jìn)水管道5通過接入殼體1與換熱器7之間的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整設(shè)定液位位置，進(jìn)水管道5接入殼體1位置越高，換熱器的液位越高，氣平衡管道6用于平衡殼體內(nèi)與換熱器7內(nèi)的氣壓，使浮球2在正常浮起，控制出水口11排風(fēng)疏水。

上述浮球式自平衡疏水裝置的疏水通流面積計(jì)算方法，由于浮球的直徑與錐形出水口11直徑是關(guān)聯(lián)的，疏水通流面積是浮球升起高度以及錐形出水口11內(nèi)壁直徑的函數(shù)，通過殼體的剖面曲線與浮球的直徑可以進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)滿足疏水最大設(shè)計(jì)流量和最小設(shè)計(jì)流量的要求。其通流面積的函數(shù)表達(dá)式為：

A＝F(d_H，H)

d_H＝f(H)

Q＝A×ω

式中：

A——疏水通流面積，即浮球與殼體之間的環(huán)形通流面積

d_H——在浮球高度位置H處，殼體的內(nèi)壁直徑

H——浮球的高度位置

Q——疏水流量

ω——疏水通過通流面積處的流速

由上計(jì)算通式所得，疏水通流通流面積隨浮球2升起高度變化而變化；疏水量越大，浮球2升起高度越高，通流面積隨著疏水量變化而自動(dòng)調(diào)整，以致可合理地平衡疏水的排放效果。

具體實(shí)施例2：

本實(shí)施的的技術(shù)特點(diǎn)是：如圖3所示，所述進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)5由多條水管構(gòu)成，該進(jìn)水管道5一端接入換熱器7，另一端接入殼體1的連接管，各連接管將換熱器7的疏水輸送至殼體1內(nèi)。所述出水口11的內(nèi)壁四周分布有若干條導(dǎo)流槽，該導(dǎo)流槽用于將浮球2上方的疏水導(dǎo)向浮球2下方，形成浮球的浮起動(dòng)力。在殼體1和換熱器77之間可以設(shè)置多個(gè)標(biāo)高不同的進(jìn)水管道5，并在進(jìn)水管道5上設(shè)置切換閥門51，實(shí)現(xiàn)多種水位自動(dòng)控制。其余同上實(shí)施例。