论文 关键词：阀门 自动疏水器 尖端科技
论文摘要：自动疏水器在阀门大家族中可谓是一个很小的门类，属于自力式阀门范畴。自动疏水器分机械型、热动力型和热静力型三个主要类型，其中以机械型疏水器是适用范围广、性能最完善的类型。机械型疏水器历经百年的应用和不断完善，经历了三代重大的 发展 阶段，充分体现了阀门行业随着 科学 技术、理论研究及材料进步的推动下，逐渐形成当今理论充实、材料先进、技术含量高的尖端产品，使疏水器类产品在当今世界范围的节能减排方面发挥了不可替代的作用。本文从疏水器产品百年发展 历史 入手，追踪疏水器三代产品演变过程中，发掘了设计理念、工艺水平、材料科技等诸多因素是如何催生出当前世界上最先进自由浮球式疏水器产品及所蕴含的最尖端科学技术。本文尊重疏水器产品和技术的专利及知识产权，不涉及保护范围的内容。
0. 绪论
蒸汽时代的来临标志着人类 工业 领域革命进入划时代的新的历史阶段。从瓦特发明蒸汽机伊始，就给人们提出了一个新的课题：蒸汽的自动疏水。大家都知道，气体包括蒸汽都是可以压缩的，唯有水是不能压缩的。蒸汽机是依靠蒸汽的推动做功的，汽缸中一旦进了水，要么是活塞运动行程受限，要么是汽缸开裂。因此必须设法在蒸汽进入汽缸前将所有的凝结水都从蒸汽管道中疏导出来，同时不能使蒸汽泄漏出来。就像马路上的“地漏儿”一样的东西，不管下多大雨都随时可以把雨水排净，这样才能保证 交通 畅通。人们把类似“地漏儿”的东西称为trap,希望蒸汽传输系统中产生的凝结水也能像“地漏儿”一样随时将它们排走。
1．第一代疏水器的诞生
问题提出来了，人们的思维开始活跃起来，发明创造的潜能被激发出来。当代人们所有的成功发明和应用都被拿出来进行了类比，希望得到借鉴和启蒙。终于人们把目光集中到了一种潜水装置上，它像教堂的大钟，当把它放到水下时钟的下半部是水，而上半部是空气，人们可以借助这些空气下潜到水里。
人们在这种潜水装置的启发下成功地开发出第一代自动疏水器，开始称之为“钟罩式疏水器”，也有称为“倒吊桶式疏水器”的。这种疏水器的结构和工作原理如下图所示。
疏水器接于蒸汽管线下方，当有凝结水产生时会向下流进疏水器中，此时桶内外都是水不会产生任何动作，则凝结水会通过位于顶部的阀口被源源排出。当凝结水排净时蒸汽会进入疏水器并被导入桶内，此时桶内外密度发生改变，桶向上浮起并通过杠杆关闭阀口，不使蒸汽逸出。就这样实现了疏水器的自动“阻汽排水”的功能。疏水器的诞生对当时的工业革命起到了很大的推进作用，尽管它还很不完善，但功不可没。
1.2第一代疏水器的不完善处
1.2.1响应慢
因为阀门的启闭速度受到桶内不同介质进行交换的速度限制：阀门要关闭则需待桶内充满蒸汽，而阀门要打开就更困难了，桶内的蒸汽要全部从桶顶部一个很小的空慢慢排出，这个时间有时让人容忍不了。
从上图可以看出，疏水器桶内的蒸汽没有变为水之前阀门是一直关闭的，在这个期间左侧水箱如果水位上升很快的话，就会发生我们常说的满水、倒灌的现象，酿成事故。
1.2.2不适应过热蒸汽
在过热蒸汽系统上设置疏水器会是倒吊桶式疏水器出现尴尬，以为过热蒸汽条件下不会有凝结水存在，没有水桶浮不起来，阀门无法关闭，会造成蒸汽大量逸出。好在当年过热蒸汽使用的不是很多。
1.2.3故障率高、可靠性低
疏水器是自力式阀门，凡自力式阀门几乎都是在没有外界干预的情况下自行工作。这就需要有较少的故障和较高的可靠性，否则“三天打鱼、两天晒网”不仅很麻烦，而且还任意造成事故。
倒吊桶式疏水器的薄弱环节是其内部的“杠杆-铰链”系统，虽然精密复杂但却比较娇嫩，本身又是运动系统，因此会常遇到疲劳、磨损、变形、结垢等问题，维护工作量一直是较大的，还需要经常更换备件。
据统计资料表明，在机械型疏水器总故障里，杠杆系统要占90%以上。例如国外某核电站上的倒吊桶式疏水器因杠杆系统结垢引发的故障最终竟然导致手动停堆的恶果。
2.第二代疏水器的问世
第一代倒吊桶式疏水器的不足是其结构原理所决定的，如果要寻求一个解决办法就必须更改其原有结构。既然倒吊桶式疏水器响应慢是因为介质要在浮子内部进行交换，如果把浮子封闭起来是否会得到完全不同的效果呢？
这样就出现了“杠杆浮球式疏水器”。
2.1第二代疏水器的重大改进
2.1.1浮子型式的改变
浮子由敞开式变为密闭式，即由桶式变为球式。密闭的浮球依然依靠介质的密度差驱动阀门的启闭，然而介质不再进出浮子内部，因此第二代疏水器的响应速度有了极大的改变，只要排放能力足够绝不会发生冷凝水积存一类的问题。
2.1.2阀嘴位置的改变
第一代疏水器的阀嘴位于阀的顶部，阀门关闭期间密封副周围是没有水的，属于一种“干式密封”。当阀嘴位于下方时则处于水下。显然“湿密封”更合理，包括磨损的减轻与严密性的提高。
2.1.3增加了自动排气阀机构
蒸汽在冷却为水的过程中或出现少量的空气成分，特别是机组在启动初期，首先进入疏水器的是充盈在书本和管道中的空气。疏水器对于蒸汽和空气都是关闭的，因此空气被“憋”在疏水器里形成“空气绑”，冷凝水和蒸汽无法进入疏水器，实际造成疏水器的失效。
第一代疏水器中是没有自动排气机构的，其在工作期间经常会发生气绑问题。第二代疏水器增加了一个波纹管式自动排气阀，当遇到空气时冷缩而打开旁路排放空气；当遇到蒸汽时热涨而关闭旁路，防止蒸汽逸出。
3.第三代疏水器在世界节能节能减排的形势下问世
前两代疏水器有一个共同的地方，那就是都具有一套复杂的“杠杆-铰链”运动系统。由于该系统始终处于运动状态，而自身结构又精密、薄弱，是疏水器故障率的多发部位，竟然高达90%以上！因此疏水器的主要问题是传动系统故障导致疏水器的泄漏。从节能的角度出发应当尽量多多使用自动疏水器，如果疏水器的泄漏问题不解决，反而会增加能源的流失和浪费。而造成疏水器易泄漏的根源就是其内部的“杠杆-铰链”系统。
3.1第三代疏水器的是一场彻头彻尾的革命
如果说第二代疏水器的出现是一种改良，那么第三代疏水器就是一场革命。在第三代疏水器出现之前，人们的思维模式一直是顺向思维模式，即“头痛医头、脚痛医脚”，“兵来将挡、水来土囤”，因此数十年中人们一直在想尽各种办法在设计上、材料上和工艺上下功夫，主要是企图通过加强杠杆以克服其容易变形的痼疾。有的疏水器厂家的名字就反映出人们当时的取向（armstrong-“胳膊强壮”）。
到了七十年代，人们的苦苦求索终于绽放出璀璨之花。像牛顿坐在苹果树之下，像阿基米德躺进浴缸中一样，一名疏水器技术人员在喝一种叫做“珍珠奶茶”时灵感突然闪光了，他回去就把令人最厌烦的“杠杆-铰链”系统拆除掉了，他把凝结水当作 “奶茶”，把浮球当作“珍珠”，把阀嘴当做“吸管”开始了一系列的试验：当阀体中有水时，浮球向上浮起，下面的阀嘴打开排水；当水排完时浮球落下遮住阀嘴，阀门关闭。疏水器脱离了“杠杆-铰链”系统也可以实现自动“阻汽排水”的功能了。他获得了成功！自由浮球式疏水器的构想诞生了，实际上是选择了牛顿和阿基米德两个人在阀体里面做游戏罢了。
3.2自由浮球式疏水器的几个关键指标
在具体工艺试验和批量试验过程中，他们发现了几个十分关键的问题必须认真对待和解决：
3.2.1浮球设计的技术参数问题
浮球是一个不锈钢空心球，具有一定几何尺寸、质量及精度的可工业化批量生产的部件。首先，不同规格（温度、压力、排量、通径等）疏水器它的浮球的几何尺寸和物理重量也应当是不同的，那么应当如何去 计算 ？
3.2.2浮球制造的工艺精度问题
在上述设计问题确定下来以后在模型试验过程中发现另一个重要问题，即浮球的精度应当是多少的问题。浮球的精度实际上是闭合时的泄漏等级的问题。
在对模型的试验中发现，浮球精度低的情况下，阀门关闭后内部内部的水会因泄漏而全部排光，浮球会在进口压力波动的影响下与阀嘴发生硬性接触（碰撞），这将使浮球的寿命仅能维持几个月就遍体鳞伤而无法正常工作。看来适当提高浮球精度、提高阀门密封性是必须的，这样才能在阀门关闭后在阀内保持一定的水位，使浮球始终浸泡在水里，即浮球无论是上升亦或下降的运动过程中始终是在水的托扶之下，避免浮球与阀内与任何部件的硬性碰撞。因此自由浮球式疏水器内部的水位与浮球间的关系就好像“羊水与胎儿”的关系一样重要！
然而，一个薄壳球体的研磨精度不仅是一个工艺及设备的难题，同时精度越高成本会像几何级数一样猛增不已！人们从千分级一直试验到万分级才得到了较满意的结果。
3.2.3试验和测试的方法和设备
自由浮球式疏水器撤掉杠杆后浮球是否会失去控制？这是人们容易联想到的一个问题。其实从另一个角度看，这不仅不会失去控制，反而会使浮球具有了“自动对中”的又一个显著的优点。
从力学角度看有“静定”和“静不定”两各概念，如第二代杠杆式浮球疏水器，就是“静不定”系统，阀芯和阀座之间的密封要受第三者即“杠杆—铰链”系统的制约和掣肘，只要杠杆发生形变或铰链产生旷动，就要影响前两者的吻合程度。而自由浮球式疏水器浮球和阀嘴两者之间没有第三者“插足”，每一次闭合两者都会自动形成最合适的状态即形成最佳的“吻合”，也就是“静定”系统的特点，就像任何钟摆停下来后都会指向地心一样一样的。
当初在对浮球密封性试验和测试时使用了一个专门的装置（见右图）：
将阀座安装于一个真空容器上，当浮球遮蔽于阀嘴之上时，可以通过真空度下降情况来判断其密封性能。这个装置既可以研究和决定浮球的应有精度，也可检测实际浮球的密封等级。这个装置及方法后来被参照制定为iso7841标准，专门用于对自动疏水器密封性的试验和标定的专用标准至今。
3.2.4浮球质量均匀度决定浮球寿命
按道理说，自由浮球的外表面均可以与阀嘴构成为密封面的，因为它是可以自由转动的运动部件。从理论上讲浮球表面上的密封面是无数个，假定一般阀门密封部件的寿命为3年，那么浮球的密封寿命应当是成千上万个“3年”的。但是在对模型的试验中发现，由于浮球质量不均匀的自由浮球像一个“不倒翁”，因此仅有某一条纬线能与阀嘴构成密封面，使浮球的寿命大打折扣。然而传统的球形部件的工艺几乎都是两个半球的对焊，这条焊缝决定球体质量的不均匀。
通过我们对日本产品的实测，却无论如何是找不到这条焊缝的，就像外国人找不到 中国 元宵有“缝”一样。所以至今不仅我们就连欧美国家也无法搞清日本的浮球究竟是怎样做出来的。
4.0自由浮球式疏水器的迅猛 发展 和对节能的巨大作用
疏水器在蒸汽系统的传输和应用当中起着不可替代的作用，其节能作用正是由于它的“自动阻汽排水”功能，相对国内很多行业仍然采用截止阀疏水（例如电站）而言，其节能作用不言而喻。
目前世界上最注重能源节约的恐怕非日本莫属了，日本单位能源消费量是欧盟的60%，美国的30%，中国的10%，是世界上节能效率最高的国家。
四十年前当美国人冬季房间温度太高时不是关小暖气而是打开窗户的时候，四十年前当我们还在学校向小学生讲“地大物博、物产丰富”的时候，日本却对能源充满着危机感。所以像疏水器这样的节能产品，其尖端技术出现在日本也就没有什么奇怪的了。日本有资料统计：将自动疏水器替代截止阀疏水，其节能效益半年基本上就可以实现对疏水器投资费用的回收。在日本一台300mw火电机组平均装置了200多台自动疏水器，当他们看见中国多数机组上仍然在用截止阀疏水，每年浪费的蒸汽（折合标准煤）让他们瞠目结舌。
在世界其他地方，虽然已经了解了自动疏水器在节能方面的作用和意义，但是在没有采用最先进的疏水器的情况下，例如杜邦工程技术公司在全世界的工厂中竟然有25％～35％的蒸汽疏水器处于失效或泄漏的状况；而像壳牌公司已经指令全球所有的壳牌 企业 全部采用自由浮球式疏水器，每年取得了巨大的节能效果。
另一个值得一提的是：自由浮球式疏水器在去掉复杂和昂贵的“杠杆-铰链”系统后，不仅密封性能、使用寿命大幅提高，另一方面其材料成本，加工及装配工时锐减，性价比更具优势，使得欧美各国疏水器产品出现了“造不如买”的情况。目前世界上自由浮球式疏水器的市场份额已经超过75%并且仍在逐年攀升。日本的节能技术已经引起全世界的瞩目，甚至在apec世界首脑会议上，这种尖端的自由浮球式疏水器技术和产品也被列为议题之一，被呼吁向世界各国推广使用，以推动全球“节能减排”事业的发展。
参考 文献 ：
1.《锅炉暖风器热力系统分析》 【发电设备】2005年第1期
2.《国产首台600mw机组锅炉暖风器系统在运行中存在的问题及解决的措施》【黑龙江电力】2000年2月刊
3.《电站煤粉锅炉暖风器系统投入条件的探讨》 【西北电建】2007年第5期
4.《电站锅炉暖风器疏水侧调节的优越性》 【发电设备】2002年第5期
5.《大坝二期锅炉暖风器疏水系统改造》 【宁夏电力】2005增刊
6.《锅炉热风再循环系统及暖风器的设置条件》 【吉林电力】2001年第3期
7.《国电安顺电厂一期机组暖疏系统改造》 【热力发电】2007年第9期
8.《电站锅炉暖风器疏水系统优化改造》 【中国电力】2004年第10期
9.《暖风器运行对机组效率影响的探讨》 【华中电力】2001年第6期
10.《蒸汽自动疏水器的设计与应用》 【河北电力技术】2005年第9期
11.《蒸汽自动疏水器在火力发电厂中的应用》 【火电厂热工自动化】2005年第1期
12.《火电厂热系统节能理论》 林万超西安 交通 大学出版社,1994.
13.《热力发电厂》 郑体宽水利电力出版社，1986.
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