警惕低温疏水阀的风险

作者: James R. Risko

出版商: Chemical Engineering Progress, Feb. 2013, p. 50-53.

此文章由TLV Shanghai翻译，以释义英语原文

低温疏水阀——蒸汽疏水阀不再正常排放冷凝水——相比较泄漏的疏水阀，更容易被忽视，直到发生了诸如工厂关闭或工伤事故的灾难性事件。下文将借助大量的历史数据来尽可能地估算出低温疏水阀每年产生的维修费用。

许多化工厂都在实行维护保养计划，以诊断并修复不正常（故障）的蒸汽疏水阀，只不过，这些计划的策略往往都将重心放在泄漏的疏水阀，却忽略了可能更具破坏性，无法正常疏水的阀门，即所谓的低温疏水阀。

蒸汽疏水阀的故障情况可以分为两类：泄漏，即疏水阀在持续排放冷凝水的同时夹带有生蒸汽的泄漏；排水故障（例如堵塞和低温），即冷凝水排放受阻，无法将系统内的冷凝水完全排出。然而大多数泄漏故障的疏水阀易被发现且容易将它们的影响量化，但低温疏水阀的潜在危害很难被工程师们理解。

本文是建立在前一篇CEP文章（2011年2月，第21-26页）提出的概念，继续深入探讨蒸汽疏水阀的排水故障。此文旨在消除几种常见的对于蒸汽、蒸汽疏水阀的误解，解释如何识别低温疏水阀并强调了维修这些阀门的重要性，同时也介绍了一种如何估算未修复的低温疏水阀损失的方法。

对于饱和蒸汽的误解

对于蒸汽品质的错误描述，部分原因归咎于低估了修复低温疏水阀的优先级。例如，有时人们会误认为锅炉生产的是饱和蒸汽，而实际上，工厂的蒸汽系统中基本不会出现饱和蒸汽的工况，而是以过热蒸汽或湿蒸汽的状态存在。

当水被加热至沸点后继续加入热量（潜热）继而蒸发形成饱和蒸汽。这是一个临界值——呈现在热量表上是一个特定的点，而非一块区域；对饱和蒸汽继续加入热量，超过其饱和点，就形成了过热蒸汽；相反的，蒸汽中尚含有未蒸发的水即所谓的湿蒸汽，其范围低于饱和曲线（见图1）。

图1

在化工厂中，锅炉产生的蒸汽通常是湿蒸汽（即，并非100%的水都被蒸发成蒸汽），蒸汽中夹带着附着了水雾的气泡。有些工厂会在锅炉系统安装汽水分离设备，最大限度减少锅炉输送的蒸汽中的含水量，但无法做到完全分离，仍有部分会被夹带着进入蒸汽管网。即使最先进的锅炉，在锅炉出口处的蒸汽中仍会有3-5%的含水量。

对于过热蒸汽的误解

另一个比较普遍的误解是过热蒸汽系统中不可能存在冷凝水，更有甚者，维保人员降低过热系统中低温疏水阀维修保养优先级别，这往往会导致过热蒸汽系统中疏水阀维修保养的缺失。

过热蒸汽系统是否存在冷凝水，需从几个方面进行考虑。首先是开机，当系统开机时，蒸汽暖管所产生的冷凝水，必须通过疏水点（CDL）排出——排水系统通常包含一台蒸汽疏水阀及相关管道，止回阀，排污阀，关断阀，过滤器，三通等；开机后冷凝水被排出直至系统达到过热状态，那些我们通常称之为垂直集水井的管道，变成一个蒸汽停滞流动的散热器，过热蒸汽会在这经由辐射散热冷却产生冷凝水。

此外还有一些情况会将过热蒸汽变为湿蒸汽，如，蒸汽减温器出现故障，喷射过多的水进入系统会导致这种情况。蒸汽系统中最常见的，也是现场人员认为不会出现在系统中的故障，是因为积存的冷凝水瞬间释放能量，对过热蒸汽汽轮机造成损坏；本该关闭的阀门被手动或者自动打开，大量的冷凝水瞬时进入主管而又无法被及时汽化、吸收，这将为事故埋下重大隐患。

冷凝水的危害

当蒸汽通过管道传输，在机械力和热力的作用下，夹带的冷凝水会从蒸汽中脱离（如图2）。如果冷凝水未被移除，它将在蒸汽的推动下以很高的流速前进，流速高达160公里/小时，对沿途任何阻碍其行进的物体包括弯头，喷嘴，阀门，法兰等造成撞击而瞬停——造成水锤，这种冲击波会造成设备损坏或使人员受伤。

图2

引起水锤的根本原因通常是疏水点（CDL）排水不畅。然后，除非发生灾难性事件，工厂的维保人员往往不会对低温疏水阀进行例行的维修，更有甚者，部分设备管理人员似乎也采用不闻不见的态度对待积存的冷凝水。与可见的蒸汽泄漏不同的是，某种意义上说，冷凝水因其包裹在管道内是看不见的，在蒸汽的携带、驱动下贯穿整个系统。

除非与安全生产有关，大部分泄漏的蒸汽疏水阀并非维修工作的首要任务。泄漏疏水阀带来最糟糕的后果是导致回收管压力增加，CO2过量排放及能源浪费；即便如此，它们仍维持着蒸汽疏水阀最基本的功能——将冷凝水从系统中排除，只不过在完成这项功能时效率略显低下。

真正严重且存在重大隐患的是有排水障碍的蒸汽疏水阀（低温疏水阀），它们没能执行疏水阀的基本功能即从系统中排除冷凝水。当一个疏水点堵塞，冷凝水积存在系统中，图3展示了测试一个典型疏水阀开→关→开的循环动作，用来确定在蒸汽疏水阀中存在有冷凝水。

图3

对于多余蒸汽疏水阀的误解

出于削减维修费用考虑，工程师或者现场经理可能会拆除他们认为不需要的蒸汽疏水阀，而实际上，系统中设计的每个疏水点都是有其考量点的。

投资项目的设计过程受到预算的制约，因此工程师们会尽量避免设计不必要的设备，项目设计、初始安装必要的疏水点将大大减少后期运行中因缺失疏水点带来的不安全性，延长系统、设备的使用寿命。因此，我们有理由认为所有原始设计的疏水阀对于工厂的运行都是必要的。

到此，工程师们对于在系统中设计、安装这些疏水点应该都无异议了，但仍可能对于修复排水故障疏水阀的紧迫性不以为然。

成本分析

为了更容易地了解维修排水故障疏水阀重要性，让我们换个思路，假设一下，如果一个新建项目理应安装100个公用系统疏水点（$10,000每台），和500各伴热疏水点（$5,000每台），而现在整个蒸汽系统不安装疏水阀，这样，投资成本将降低$3,500,000，疏水阀的维护成本将变为0，这个看似完美的假设，将导致灾难性的后果。

那如果选择一个折中的办法，只安装原始设计中一半的疏水阀呢？投资成本降低$1,750,000，这个方案看似更合情合理，更有诱惑，然而，系统的疏水要求仍旧无法满足，积存的冷凝水仍将导致极其危险的后果。

虽然这看似是个荒谬的方式来确定蒸汽系统所需蒸汽疏水阀的数量，但在设计阶段通过这种迭代计算可以得出最经济的疏水阀设计。所以，系统中蒸汽疏水阀的停用与否，应由对整个蒸汽系统有非常丰富经验的工程师仔细研究后方可得出。

量化低温疏水阀损失

尽管许多现场人员了解到低温疏水阀的不利影响，但仍旧不知道如何从经济角度证明值得对这些疏水阀进行维修，反而对于修复泄漏疏水阀的投资回报计算来得直接、容易得多。从另一角度说，排水故障疏水阀导致的损失的估算，也不是那么简单。

鉴古通今，我们完全可以利用历史数据对这些损失进行量化，一旦损失的平均值确定后，未来计算修复低温疏水阀的投资回报率就容易得多。

第一部分的预估损失可以通过低温疏水阀的负面效应确定，例如：

破损的管道碎片飞溅导致的人员受伤
管道脱离支架
汽轮机，发电机或泵的故障
火炬顶端或火炬环破损
火炬熄灭或不受控制（可能引起监管部门关注和罚款）
由于水锤造成阀门填料、配件和法兰的损坏，或管道弯头冲蚀，导致蒸汽管道持续泄漏
旁通阀打开，过多的蒸汽泄漏和吹放，冷凝水浪费导致经营成本提高
湿蒸汽喷射引起的雾化或工艺问题
逐渐恶化的真空系统

表 1估算了以上问题的潜在成本。

某些情况下，低温疏水阀会引起蒸汽管道破损或关键设备故障，例如汽轮机或分析仪，最终导致工厂关停。工厂关停一天的损失轻易就能突破百万美元，所以任何主设备的故障都会带来灾难性的经济损失。

要确定特定系统中低温疏水阀带来的损失，可通过统计在过去三至五年内因积存冷凝水造成的事故所带来的经济损失和发生频率，以及故障设备关联的疏水阀数量进行综合评定。

举例，一个拥有8,000台疏水阀的工厂，其中某个装置有360台疏水阀，在过去两年中，在此装置中的一个分析仪，由于单个低温疏水阀的影响发生故障。表2罗列了分析仪故障的成本。由于仅仅一个疏水阀引起的事件，故如果整个事件的花费损失归咎于单一疏水阀，年化损失将达到500,000美金，还不包含低温疏水阀不可预测的安全及可靠性问题。不过，为了更准确、更合理地估算故障损失，评估维修装置中所有低温疏水阀的投资回报，因把这部分费用分摊到该装置中所有疏水阀上。

估算每个低温疏水阀导致的损失，应将事件产生的总费用除以该装置疏水阀的总数量（360台），除以重复此事件年数（此例中，2年），得出每年的费用，分摊到每个疏水阀的损失（以此为例，1,389美金），由此得出分析仪装置中如果有低温疏水阀将造成的损失（表2）。

同样的分析可以用来估算整厂低温疏水阀带来的负面影响。此故障分析只是工厂内与低温疏水阀相关的众多事件中的一个。表3列出了这些事件及其关联费用和频率。为了估算每个低温疏水阀导致的损失，需将工厂与低温疏水阀相关的历史事件的总花费除以工厂内疏水阀的总数（8,000台），此例中，分摊到每一台疏水阀，得出低温疏水阀导致的损失是960美元/年，这是一个非常有用的估算值，用以评估维修低温疏水阀的投资回报。