Редукционная установка: концепция эффективности

Введение

Благодаря своей уникальной способности в передаче тепловой энергии, пар широко используется в качестве энергетической среды

• на электростанциях,
• заводах,
• химической и топливной,
• а также в перерабатывающей промышленности.

Пар – понятия и наблюдения

Парообразование и испарение воды

Таблица насыщенного пара

При производстве пара очень важно обеспечить требования потребителей пара. В зависимости от этих требований существуют различные подходы к обеспечению потребителей паром с требуемыми характеристиками.

Самый сложный и следовательно дорогостоящий вариант производства пара - это установка отдельного парогенератора для каждого конечного потребителя, требующего пар с определенными характеристиками.

Однако наиболее предпочтительный метод - это использование пара с индивидуальных точек отбора пара в паровых турбинах. Недостатки данного метода, включают  разрывов в общих термодинамических характеристиках тепловых станций возникающие из-за производства и выбросов большого количества пара и несоответствие качественных характеристик пара в турбине с необходимыми конечному потребителю.

Поэтому редукционная установка или станция редуцирования давления как система контролирующая  качество, необходимое конечному потребителю получила очень широкое применение на производственных предприятиях.

Такие  контролирующие системы обычно основаны на регулирующих клапанах, которые работают как от дополнительной энергии (электрической и пневматической) так и без помощи дополнительной энергии (действующий автоматически, так называемого «прямого действия»).

В данной статье представлена концепция редукционной установки работающей без помощи дополнительной энергии.

Некоторые товары из каталога:

Клапан запорный сильфонный ARI-FABA -Plus фланцевый, ковкий чугун, 22046, Dn15, Pn16	Регулятор давления после себя ARI-PREDU (редукционный клапан) (фланцевый, ковкий чугун, 22701, Dn15, Pn16, 2.0-5.0)>	Конденсатоотводчик термодинамический ARI-CONA -TD (фланцевый, кованая сталь, 85640.1, R32, Dn15, Pn40.)

Проектирование

Автоматически действующий контроллер давления  работает  как специальный регулирующий клапан, (редукционный клапан). Этот клапан относится к группе регуляторов давления без использования внешней энергии, то есть действующих автоматически в системе вспомогательных и дозирующих клапанов и ниппелей, необходимых в редукционной установке.

Клапан редукционный

Особые указания по монтажу редукционного клапана

Подготовка к монтажу редукционных клапанов ARI-PREDU

Термин  "редукционная установка" включает все необходимые компоненты вместе с вспомогательными элементами трубопроводной арматуры.

На рис. 1  изображена концептуальная модель стандартной редукционной установки

На рисунке отчетливо виден главный трубопровод и байпасная линия.

1. Главный трубопровод делится редукционным клапаном на трубопровод верхнего (высокого) давления и трубопровод нижнего (низкого) давления.
2. Сначала пар проходит через запорный клапан и фильтр в трубопроводе высокого давления перед тем как достичь основного клапана, снижающего давление  - эту функцию выполняет редукционный клапан.
3. Дальнейшее снижение давления осуществляется после прохождения редукционного клапана, когда водяной пар проходит через расширенный диаметр трубопровода, на котором установлен запорный клапан и предохранительный клапан.
4. Расход  пара на входе и выходе с редукционной установки постоянен, однако объем и давление пара на выходе будет отличаться от объема и давления пара на входе в редукционную установку.
5. Объем пара на выходе из редукционной установке будет намного больше, чем на входе.
6. Размер главного трубопровода зависит от максимально допустимой проходной величины. С целью достижения эффективного контроля  редукционный клапан  часто устанавливается с меньшим номинальным  диаметром, чем диаметр в трубопроводе с высоким давлением.
7. Контрольная линия должна соединяться в точке трубопровода с низким давлением, где давление стабилизируется, то есть там не должно быть ни клапанов, ни изгибов как минимум на расстоянии  10x DN или хотя бы  1 м от места ввода. К тому же, линия контроля и водяная конденсатная емкость должны быть наполнены водой. В этом случае диафрагма редуктора давления, которая установлена ниже вместе с приводом, защищена от высокой температуры пара.
8. Байпас необходим для  обеспечения работы всей системы во время технического обслуживания или ремонта, например, редукционного клапана. С этой целью запорные клапаны перед редуктором и после него закрываются и запорный клапан расположенный на байпасной линии открывается.  Для эффективной настройки системы и предохранительного клапана необходимо время от времени проверять уровень давления на входном манометре.

Во время движения пара  в трубопроводе постоянно образуется конденсат, который необходимо дренировать через  конденсатоотводчик основного трубопровода. Отвод конденсата в трубопроводе высокого давления, в форме механического поплавкового конденсатоотводчика, хорошо продемонстрирован на рис. 1.

1. Запорный клапан на входе в конденсатоотводчик обычно открыт, а закрывается только с целью завершения технического обслуживания конденсатоотводчика.
2. Нижний запорный  клапан устанавливается для очищения данного участка от грязи и шлама и обычно закрыт. 
3. Поток конденсата можно увидеть через смотровое стекло, которое помогает отслеживать работу конденсатоотводчика.
4. Система отвода конденсата также необходима и в трубопроводе низкого давления. Эта система не отражена на рис. 1, так как она обычно расположена в коллекторе или  теплообменнике в нижней секции трубопроводной системы.
5. Манометры на входе и выходе с редукционной установки необходимы для наблюдения за самой редукционной установкой.
6. Верхнее давление между фильтром и редукционным клапаном должно измеряться с целью определения уровня загрязнения.
7. Давление в нижнем трубопроводе нужно измерять как давление на выходе с главного трубопровода, и это намного упрощает процедуру контроля, а также более эффективно выявляет нарушения.

Конденсатоотводчики

Классификация конденсатоотводчиков

Выбор конденсатоотводчиков

Редукционная установка и трубопроводная арматура

Ниже дано описание выполняемых функций и выбор трубопроводной арматуры для редукционной установки.  Порядок подбора трубопроводной арматуры для редукционной установки описан в статье далее.

Запорный клапан ARI-FABA®

Запорный клапан ARI-FABA® - это обозначение для сильфонного запорного клапана. Клапан на байпасе должен быть оборудован регулирующим затвором, для других клапанов достаточно использовать простой стандартный затвор.  Во избежание ошибок, ручной штурвал запорного клапана на байпасе должен быть закрыт опломбированной крышкой от несанкционированного доступа.

Фильтр грубой очистки ARI-Strainer

Фильтр грубой очистки ARI-Strainer или фильтр сетчатый ARI-Strainer необходимо установить на трубопроводе с высоким давлением, чтобы защитить седло и затвор редукционного клапана.

Во избежание накопления конденсата фильтр грубой очистки ARI-Strainer, а точнее его корзина должна быть установлена в бок.

По нашему практическому опыту в установке фильтра возможны вариации.

Мы рекомендуем нашим заказчикам устанавливать фильтр грубой очистки ARI-Strainer не после запорного клапана, а перед запорным клапаном. Такой монтаж фильтра грубой очистки позволит защитить седло и затвор не только редукционного клапана но и запорного клапана.

Редукционный клапан ARI-PREDU®

Редукционный клапан ARI-PREDU® - это сердце редукционной установки. Его функция объясняется ниже на упрощенной схеме на рис. 2. 

Нижнее давление воздействует посредством линии управления на диафрагму привода, где оно конвертируется в силу противодействующую силе сжатия и воздействует на затвор (снизу вверх). В зависимости от требуемого выходного давления с редукционного клапана может подбираться пружина необходимой жестокости.

Изменение расхода пара влияет на изменение положения затвора клапана до момента восстановления равновесия.

Два сильфона редуктора из нержавеющей стали показаны на рис. 2. Один служит для уплотнения вала от внешних усилий, и других сильфон снимает давление с элемента обеспечивающий равновесие сил на затворе клапана. С этой целью верхнее давление направляется через отверстие в затворе клапана во внутренней части напротив наружного внешнего сильфона редукционного клапана ARI-PREDU®. Внутренняя сторона  сильфона редукционного клапана соединяется через  отверстия со стороны высокого давления.

Так как эффективная зона сильфона редукционного клапана по размеру совпадает с размером седла, то силы различной направленности уравновешены, таким образом редукционный клапан ARI-PREDU® главным образом не подвержен влиянию колебаний входного давления пара.

В теории автоматического управления редукционный клапан классифицируется как пропорциональный контролер. Такие контролеры характеризуются по параметрам контролирующего отклонения, принимая во внимание, что установка зависит от следующих факторов: сила жесткости пружины, номинальный диаметр и отношение p2/p1.

Рис. 2: Редуктор давления ARI-PREDU  - внешний вид и функции

• Входное давление
• выходное давление
• седло
• затвор
• сбалансированный сильфон
• изолированный  сильфон

Клапан предохранительный ARI-SAFE

Клапан предохранительный ARI-SAFE - выполняет функцию безопасности на редукционной установке. Редукционная установка должна быть оборудована клапаном, выполняющим функцию безопасности для предотвращения повышения давления до недопустимого уровня, относительно низкой несущей способности составляющих компонентов и трубопровода (Смотрите источник 1 и 2 в библиографии в конце статьи).

Когда выбираются  составляющие, следует уделить особое внимание фактам, проиллюстрированным на рис. 1, привод редуктора давления и байпас напрямую соединяется с предохранительным клапаном. Это необходимо для продува предохранительного клапана, который не показан на Рис 1. для достижения точности. 

Как в случае со всеми паровыми трубопроводами, в трубопроводе должен быть смонтирован конденсатоотводчик, который открывается безопасно. Дальнейшие детали, касающиеся предохранительного клапана описаны в источнике (3).

Конденсатоотводчик поплавковый ARI-CONA®

Конденсатоотводчик поплавковый ARI-CONA® немедленно отводит собравшийся конденсат из системы. Интегрированный тепловой контролирующий элемент обеспечивает автоматическое вентилирование системы во время начала работы редукционной установки.

Смотровое стекло ARI-Armaturen

Смотровое стекло ARI-Armaturen позволяет контролировать работу конденсатоотводчика поплавкового ARI-CONA®.

Предложения от ARI-Armaturen для паровой котельной и пароконденсатной системы

Трубопроводная арматура для пара и конденсата

Ввод паропровода в эксплуатацию

Проектирование редукционной установки

1. Рассчитаем параметры редукционной установки для паровой системы, показанной  на рис. 1: верхнее давление и нижнее давление, температура (очень горячий пар) и объем пара. KVS-величина редукционного клапана должна быть определена по формуле представленной в стандартах DIN EN 60534-2-2 (а также DIN IEC 60534).
2. С помощью диаграммы 1 получим приблизительные результаты. Программа расчета ARI-myValve® облегчает расчеты и выбор клапанов (рис. 3). Важен также размер, его тоже необходимо выбрать правильно с установленными значениями. Например, необходимо обеспечить выходное давления с редукционного клапана 2.4.bar.
3. Для решения данной задачи два диапазона регулирования. Первый - 0.8 - 2.5 bar, второй - от 2.0 до 5.0 bar. Для того что бы обеспечить требуемое выходное давление подходят оба диапазона, которым соответствуют две пружины определенной жесткости.
4. Обе пружины в состоянии обеспечить требуемое выходное давление из редукционного клапана. Однако ошибка регулирования давления на выходе из редукционного клапана при использовании этих двух пружин будет различна. Для уменьшения ошибки регулирования рекомендуется выбрать пружину с жесткостью, соответствующую диапазону 2.0-5.0 bar.
5. В нижних уровнях (0.8 и 2.0) этих двух диапазонов  пружины максимально зажаты (жесткость пружины максимальна), в то время как в верхних уровнях этих двух диапазонов (2.5 и 5.0) пружины максимально разжаты (жесткость пружины минимальна, соответственно, отсутствует запас). Этим и объясняется выбор с пружины с жесткостью, соответствующую диапазону 2.0-5.0 bar.

Благодаря регулируемой величине (отношение максимально возможного расхода среды к минимально разрешенному расходу среды) давление в  редукционном клапане меньше чем для регулирующего клапана, работающего на дополнительной энергии, более подходящие рабочие характеристики могут быть достигнуты  параллельным соединением редукционных клапанов разных размеров.

Редукционный клапан, установленный на трубопроводе нижнего давления немного пониже и отвечает за амплитуду, а другой редукционный клапан покрывает основную загрузку.

Рис. 3. Программа для подбора трубопроводной арматуры ARI-myValve®

Первый шаг - расчет предохранительного клапана для определения давления срабатывания.

1. Прежде всего, давление срабатывания зависит от номинального давления в трубопроводе с учетом нижнего давления редукционной установки и привода редукционного клапана.
2. Интервал между нижним давлением и давлением срабатывания должен быть достаточно большим в противном случае небольшой скачек давления и нулевой сброс ведет к постоянному действию предохранительного клапана.
3. Размер предохранительного клапана зависит от максимально возможного объема пара (расхода пара), который может пропустить редукционная установка.
4. Пропускная способность предохранительного клапана зависит от правильно подобранного давления срабатывания, которое в свою очередь зависит от выходного давления на выходе из редукционного клапана.  

Все эти параметры могут быть определены с помощью программы  ARI-myValve® так же как размер и выбор предохранительного клапана.

Подбор конденсатоотводчика зависит от количества конденсата, который собирается в системе. Количество конденсата зависит от специфики системы: длины, диаметра трубопровода, наличия или отсутствия изоляции. Поэтому мы детально не рассматриваем в данной статье метод определения количества конденсата. Как только количество будет определено, номинальный диаметр может быть установлен с помощью диаграмм (диаграмма 2).

Номинальные диаметры трубопровода в станции редуцирования зависят от максимально допустимой скорости потока входных и выходных линий. Следующие характеристики рассматриваются в приблизительных подсчетах:

Насыщенный пар со средней скоростью 25 м/сек; перегретый пар со средней скоростью 50 м/сек

Пример расчета редукционной установки

Схема подбора трубопроводной арматуры, описанная в разделе проектирование редукционной установки может быть проиллюстрирована с использованием перегретого пара со следующими исходными данными:

Входное давление (p1) = 16 bar
Выходное давление (p2) = 8 bar
температура (ϑ) = 300 C
массовый расход среды (Q) = 4000 кг/час

a) После внесения данных в программу и выбора трубопровода согласованного с максимальной скоростью 50 м/с (D1: DN 65; D2: DN 100) расчет редукционной установки с помощью программы ARI-myValve® дает следующие результаты:  kv характеристика 22.9. Принимая во внимание поправочный фактор 1.25, программа выбирает станцию редуцирования DN 50 с kvs 32. В соответствии с каталогом ARI-Armaturen (4), заданные диапазоны давления в  4.5 –10 bar и 8 – 16 bar могут быть выбраны для этой редукционной установки. В этом случае, диапазон 4.5 – 10 bar выбирается с расчетом, что контролируемые отклонения будут меньше.

b) При выключении из работы редукционного клапана, запорный клапан на байпасе должен пропускать необходимый объем, т.е. должен хотя бы иметь kv характеристику 22.9 как рассчитано в пункте  a).  В данном случае, на основании каталога ARI-Armaturen [4], номинальный диаметр должен быть DN 40 при kvs 27 (контрольный вход). В этом случае необходимо установить запорный клапан номинальным диаметром DN 40. Данный запорный клапан будет использоваться для  ручного управления только в исключительных случаях.

c) Давление срабатывания предохранительного клапана выбрано = 10 bar. Максимально допустимый объем потока выведенный из станции редуцирования рассчитанный с ARI-myValve® следующий: a) (p1 = 16 bar (g) / p2 = 10 bar (g) и D1 = DN 65/D2 = DN 100) и равняется Q = 5188 кг /час. При Q= 5188 кг/час, предохранительный клапан также может быть подобран с ARI-myValve®: предохранительный клапан  ARI-SAFE 900, DN 50.

Важное дополнение: Если есть возможность чтобы байпасный клапан работал с более высокой производительностью чем редукционная установка или они открывались одновременно, то эта добавочная скорость должна приниматься во внимание при определении размера  предохранительного клапана!

d) Клапаны в трубопроводе с высоким и низким давлением (запорные клапаны и фильтр грубой очистки) зависят от номинального диаметра соответствующих трубопроводов. Выходной диаметр предохранительного клапана может быть измерен с помощью ARI-myValve® (данная процедура не раскрывается детально в этой статье). Подбор клапанов и фитингов в на участке с отводом конденсата зависят от конденсатоотводчика. Процедура описанная в разделе "проектирование редукционной установки" подходит к нашему примеру.

Редукционная установка: краткие выводы

Редукционная установка часто используется для подачи пара необходимого давления на выходе. Выходное давление обеспечивается редукционным клапаном прямого действия в системе с другими клапанами. Данная статья иллюстрирует общие подходы и концепцию проектирования редукционной установки – пример станции, работу и схему, основанную на проходных характеристиках клапанов и трубопровода необходимого для этой цели.

Редуцирование пара при его постоянной подаче с 12 бар на входе до 2 бар на потребителе

Редуцирование пара при его постоянной подаче с 12 бар на входе до 4 бар на потребителе

Снизить давление с основной паровой магистрали с 6 бар до  4 бар при вводе на потребителя

Использованная литература:

[1] DIN EN ISO 4126-1: Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässigen Überdruck - Teil 1: Sicherheitsventile

[2] DIN 3320 T.1: Sicherheitsabsperrventile - Sicherheitsventile – (11/84)

[3] Stork, E.: Das Edelstahl-Sicherheitsventil als Hauptkomponente zur Druckabsicherung von Anlagen mit korrosiven Medien. Industriearmaturen Heft 4 1996

[4] ARI-Armaturen: Полный каталог оборудования 2010-2011

Пароконденсатные системы - примеры и опыт Заказчиков.

В данной статье представлена концептуальная схема и подходы к проектированию редукционной установки с использованием редукционного клапана вместо регулирующего клапана. Вы можете ознакомиться с другими конкретными примерами реализации паро-конденсатных систем под конкретные требования Заказчиков, основанных на оборудовании ARI-Armaturen в разделе реализованные решения.