Самодействующие регуляторы давления и их применение

В этом руководстве рассматриваются различные типы самодействующих регуляторов давления, включая клапаны прямого действия с сильфонным и диафрагменным исполнительным механизмом, а также клапаны с пилотным управлением, с рекомендациями по их правильному выбору и монтажу. Наряду с редукционными клапанами рассматриваются клапаны поддержания давления и клапаны сброса избыточного давления, а также некоторые типовые области применения.

#Зачем снижать давление пара?

Основная причина снижения давления пара довольно очевидна. У каждого вида паропотребляющего оборудования есть максимально допустимое рабочее давление (MAWP). Если оно ниже давления подачи пара, необходимо использовать редукционный клапан, чтобы ограничить давление до значения MAWP. Если редукционный клапан выйдет из строя, в систему также должен быть включен предохранительный клапан.

Однако это не единственный случай, когда применение редукционного клапана дает преимущества.

Большинство паровых котлов рассчитано на работу при сравнительно высоких давлениях, и эксплуатировать их при пониженном давлении не следует, поскольку при этом возрастает вероятность образования влажного пара. По этой причине в долгосрочной перспективе обычно экономичнее производить и распределять пар под более высоким давлением, а затем снижать его перед оборудованием, рассчитанным на более низкое давление.

Дополнительное преимущество такого подхода состоит в том, что при высоком давлении пар занимает меньший объем, а значит, можно использовать распределительные магистрали меньшего диаметра.

Поскольку температура насыщенного пара тесно связана с его давлением, управление давлением может быть простым и эффективным способом точного регулирования температуры. Это свойство успешно используется в таких применениях, как стерилизаторы и контактные сушилки, где регулирование температуры поверхности с помощью температурных датчиков затруднено.

Оборудование, работающее при низком давлении пара:

• Может снижать количество пара, вырабатываемого котлом, из-за более высокой энтальпии парообразования при низком давлении.
• Снижает потери вторичного пара, выходящего через открытые вентиляционные линии сборных баков конденсата.

Большинство современных редукционных клапанов можно разделить на две основные группы:

• Клапаны прямого действия.
• Клапаны с пилотным управлением.

#Клапаны прямого действия

Редукционные клапаны прямого действия малой пропускной способности (Рисунок 7.3.1) Принцип работы При пуске, когда регулировочная пружина ослаблена, давление до клапана вместе с возвратной пружиной удерживает затвор на седле в закрытом положении. Поворот маховика по часовой стрелке вызывает перемещение вниз, при котором сжимается управляющая пружина и растягивается сильфон, задавая давление после клапана.

Это движение вниз передается через толкатель, который открывает основной клапан.

Затем пар проходит через открытый клапан в трубопровод после него и окружает сильфон. По мере роста давления после клапана оно воздействует через сильфон, уравновешивая усилие регулировочной пружины, и закрывает основной клапан при достижении заданного давления. Плунжер клапана модулирует свое положение, стремясь поддерживать постоянное давление.

Чтобы клапан закрылся, вокруг сильфона должно нарасти давление. Для этого давление после клапана должно увеличиться сверх уставки пропорционально расходу пара.

По мере снижения нагрузки давление после клапана возрастает и достигает максимума, когда клапан полностью закрыт. Это изменение давления при изменении нагрузки означает, что давление после клапана будет равно заданному только при одной нагрузке. Реальное давление после клапана относительно уставки называется пропорциональным отклонением; оно увеличивается по мере изменения нагрузки, и это явление иногда называют droop.

Полное давление, доступное для закрытия клапана, складывается из давления после клапана, действующего на нижнюю сторону сильфона, давления на входе, действующего на нижнюю сторону самого основного клапана, и небольшого усилия возвратной пружины. Поэтому усилие управляющей пружины должно быть больше суммы пониженного давления, входного давления и усилия возвратной пружины, чтобы установить давление после клапана.

Любое изменение входного давления меняет создаваемое им усилие на основном клапане и тем самым влияет на давление после клапана.

У этого типа редукционного клапана есть два основных недостатка:

1. Он подвержен пропорциональному отклонению при изменении расхода пара.
2. Он имеет сравнительно небольшую пропускную способность.

Тем не менее, такой клапан вполне подходит для широкого круга простых применений, где высокая точность не требуется, а расход пара невелик и достаточно стабилен. Редукционные клапаны прямого действия большой пропускной способности (Рисунок 7.3.2) ****Клапаны прямого действия большей пропускной способности также доступны для более производительного оборудования или для парораспределительных магистралей. Они несколько отличаются от клапанов малой пропускной способности тем, что усилие привода создается давлением, действующим на гибкую диафрагму внутри привода, а не на сильфон.

Поскольку это не клапаны с пилотным управлением, при изменении расхода пара у них будет изменяться давление после клапана, и это необходимо тщательно учитывать при выборе и подборе размера клапана. При работе с паром такой клапан устанавливается приводом вниз относительно трубопровода и оснащается гидрозатворным бачком, который не позволяет высокой температуре пара дойти до гибкой диафрагмы привода и повредить ее; диафрагма обычно изготавливается из неопрена. Типовая схема снижения давления в паровой магистрали показана на Рисунке 7.3.3.

#Клапаны с пилотным управлением

Когда требуется точное регулирование давления или большая пропускная способность, можно использовать редукционный клапан с пилотным управлением. Схематично такой клапан показан на Рисунке 7.3.4. Обычно клапан с пилотным управлением меньше, чем клапан прямого действия той же пропускной способности. Редукционный клапан с пилотным управлением работает за счет уравновешивания давления после клапана, подводимого по импульсной линии, усилием регулировочной пружины. Это перемещает пилотный клапан и модулирует управляющее давление. Управляющее давление, передаваемое через пилотный клапан, пропорционально его открытию и направляется по управляющей линии к нижней стороне диафрагмы основного клапана.

Диафрагма перемещает толкатель и основной клапан пропорционально перемещению пилотного клапана. Хотя давление после клапана и положение пилотного клапана находятся в пропорциональной зависимости, как и в клапане прямого действия, механическое преимущество, создаваемое отношением площади основной диафрагмы к площади диафрагмы пилота, обеспечивает высокую точность при малом пропорциональном отклонении.

При стабильной нагрузке давление под диафрагмой пилота уравновешивает усилие, заданное регулировочной пружиной. В результате пилотный клапан стабилизируется, поддерживая постоянное давление под основной диафрагмой. Это также стабилизирует основной клапан, обеспечивая устойчивое давление после него.

Когда давление после клапана растет, давление под диафрагмой пилота становится больше усилия регулировочной пружины, и диафрагма пилота поднимается.

Это закрывает пилотный клапан и прерывает подачу давления пара к нижней стороне основной диафрагмы. Верхняя сторона основной диафрагмы постоянно находится под давлением после клапана, и, поскольку сверху теперь давление больше, чем снизу, основная диафрагма опускается, вытесняя пар из-под себя в трубопровод после клапана через управляющую линию и отверстие сброса избыточного давления. Давления по обе стороны основной диафрагмы выравниваются, и небольшое избыточное усилие возвратной пружины закрывает основной клапан.

Любые изменения нагрузки или давления немедленно воспринимаются диафрагмой пилота, которая соответствующим образом корректирует положение основного клапана, обеспечивая постоянное давление после него.

Конструкция с пилотным управлением имеет ряд преимуществ по сравнению с клапаном прямого действия. Через пилотный клапан должен пройти лишь очень небольшой объем пара, чтобы создать давление в камере основной диафрагмы и полностью открыть основной клапан. Поэтому для значительных изменений расхода нужны лишь очень небольшие изменения управляющего давления. Соответственно, падение давления после клапана при изменении расхода пара мало и обычно составляет менее трех сотых бара (3 kPa; 0.5 psi) между полностью открытым и полностью закрытым положением.

Хотя любое повышение давления на входе увеличивает закрывающее усилие на основном клапане, это же повышение действует и на нижнюю сторону основной диафрагмы, уравновешивая эффект.

В результате получается клапан, который обеспечивает точное регулирование давления после себя независимо от колебаний давления на входе.

В некоторых типах клапанов с пилотным управлением вместо основной диафрагмы используется поршень. Это может быть выгодно в больших клапанах, где потребовались бы диафрагмы очень большого диаметра. Однако, особенно в меньших клапанах, часто возникают проблемы с заеданием поршня в цилиндре.

Важно устанавливать фильтр и сепаратор непосредственно перед любым регулирующим клапаном с пилотным управлением, так как чистый сухой пар продлевает срок его службы.

#Выбор и монтаж редукционных клапанов

Первое необходимое условие - выбрать лучший тип клапана для конкретного применения.

Для малых нагрузок, где высокая точность не критична, следует использовать простые клапаны прямого действия. Во всех остальных случаях лучшим выбором будет клапан с пилотным управлением, особенно если бывают периоды отсутствия расхода, когда нельзя допускать повышения давления после клапана.

Следует избегать завышения размера для всех типов регулирующих клапанов, и это в равной степени относится к редукционным клапанам. Если плунжер клапана работает слишком близко к седлу при пропуске влажного пара, возможно образование проволочной эрозии и преждевременный износ. Кроме того, любое небольшое перемещение затвора слишком большого клапана вызывает относительно большое изменение расхода через клапан, что усложняет точное регулирование.

Меньший по размеру, но правильно подобранный редукционный клапан будет меньше изнашиваться и обеспечит более точное регулирование. Если требуется существенно снизить давление или справляться с большими колебаниями нагрузки, предпочтительно использовать два или более клапана последовательно или параллельно.

Хотя надежность и точность зависят от правильного выбора и подбора размера, работа редукционных клапанов также в значительной степени зависит от правильного монтажа. На Рисунке 7.3.5 показана идеальная схема установки редукционного клапана с пилотным управлением. Многие проблемы с редукционными клапанами вызваны присутствием влаги или грязи. Паровой сепаратор и фильтр с мелкой сеткой, установленные перед клапаном, помогают предотвратить такие проблемы. Фильтр устанавливают на бок, чтобы его корпус не заполнялся водой и чтобы вся площадь сетки работала эффективно. Крупные запорные клапаны также полезно устанавливать на бок по той же причине.

Все трубопроводы и арматура до и после клапана должны быть правильно подобраны по размеру, чтобы заметное падение давления происходило только на самом редукционном клапане. Если запорные клапаны имеют тот же размер, что и присоединения редукционного клапана, потери давления на них будут больше, чем при выборе размера, соответствующего правильно рассчитанным большим диаметрам подводящего и отводящего трубопровода.

Если трубопровод после клапана или подключенное оборудование не способны выдержать максимально возможное давление на входе, на стороне после клапана необходимо установить предохранительный или сбросной клапан. Этот клапан должен быть настроен на давление, равное или ниже максимально допустимого рабочего давления оборудования, но с достаточным запасом выше его нормального рабочего давления. Он должен пропускать весь объем пара, который может пройти через полностью открытый редукционный клапан при максимально возможном входном давлении.

Пилотное управление также позволяет сделать редукционный клапан сравнительно компактным по сравнению с другими клапанами той же пропускной способности и точности и реализовать различные варианты управления, такие как двухпозиционное управление, двухдавленческое управление, управление по давлению и температуре, редуцирование и сброс избыточного давления, а также дистанционную ручную настройку. Три из этих вариантов показаны на Рисунке 7.3.6.

Клапаны прямого действия и клапаны с пилотным управлением могут использоваться для регулирования как давления до клапана, так и давления после него. Клапаны поддержания давления (и клапаны сброса избыточного давления) контролируют давление до клапана, а редукционные клапаны - давление после клапана.

#Краткая сводка по редукционным клапанам

Клапан, который измеряет и регулирует давление после себя, часто называют let-down valve или pressure reducing valve (PRV). Такие клапаны могут использоваться для поддержания постоянного давления пара перед регулирующим клапаном, расходомером пара или непосредственно перед технологическим процессом.

Редукционные клапаны подбираются по пропускной способности и типу применения.

#Клапаны поддержания давления

В некоторых применениях необходимо контролировать давление до клапана, и такой тип клапана часто называют Pressure Maintaining Valve или PMV. В ряде применений клапаны поддержания давления также называют клапанами сброса избыточного давления или spill valves.

Пример применения PMV - ситуация, когда парогенерирующее оборудование имеет недостаточную производительность, а расход пара критически важен для процесса. Если потребность в паре превышает производительность котла или резко возрастает, когда горелка котла выключена, давление в котле падает; в установку начинает поступать все более влажный пар, и работа котла может оказаться под угрозой. Если котел может работать при расчетном давлении, качество пара будет оптимальным.

Этого можно добиться, установив PMV на каждое некритичное потребление пара, например на систему отопления или систему горячего водоснабжения, тем самым введя управляемое разнообразие нагрузок. Тогда при падении давления до клапана эти линии будут постепенно отключаться, отдавая приоритет основным потребителям. Если же все линии считаются критически важными, доступны разные варианты решения, каждый со своей стоимостью.

Самым дешевым решением может быть установка PMV на выходе пара из котла (см. PMV 1 на Рисунке 7.3.7). Это позволит поддерживать минимальное давление пара в котле, ограничивать максимальный расход из котла и тем самым сохранять хорошее качество пара для установки.

Если в периоды пиковых нагрузок возможно отключение несущественного оборудования, PMV можно установить в распределительных или ответвительных линиях, питающих эти зоны установки. Когда паровой котел перегружается, некритичные линии постепенно отключаются клапаном PMV 2, что позволяет котлу сохранять подачу пара на essential оборудование при требуемом давлении. Следует понимать, что PMV не всегда устраняет проблемы, вызванные недостаточной производительностью котла. Иногда, когда разнообразие нагрузок на установке невелико, единственным реальным вариантом остается увеличение генерирующей мощности путем добавления еще одного котла.

Однако бывают случаи, когда можно выбрать более дешевую альтернативу - паровой аккумулятор. Это позволяет запасать избыточную энергию котла в периоды низкой нагрузки. Когда котел перегружен, аккумулятор дополняет производительность котла, обеспечивая управляемую подачу пара на установку (см. Рисунок 7.3.8).

На Рисунке 7.3.8 котел рассчитан на выработку пара при 10 bar g, который распределяется по установке как при 10 bar g, так и при 5 bar g.

PRV 1 - это редукционный клапан, размер которого подбирается по производительности котла за вычетом нагрузки высоконапорного пара. Для расчета пропускной способности редукционного клапана PRV 2 она должна быть равна максимальной скорости разряда и времени, на которое рассчитан аккумулятор, а расчетный перепад давления должен быть равен разности между минимальным рабочим давлением аккумулятора и давлением в распределительной сети LP (Low pressure). В данном примере PRV 2, вероятно, должен открываться примерно при 4.8 bar g.

PMV - это клапан поддержания давления, размер которого определяется временем, необходимым для подзарядки аккумулятора, и доступным избыточным резервом мощности котла во время подзарядки. При подзарядке падение давления на PMV, вероятно, будет сравнительно небольшим, поэтому сам PMV, скорее всего, окажется достаточно крупным, обычно того же диаметра, что и линия, в которую он установлен. Обычно PMV настраивают на срабатывание чуть ниже максимальной уставки давления котла.

Когда суммарная нагрузка установки находится в пределах производительности котла, PRV 2 закрыт, и котел подает пар низкого давления через PRV 1, который настроен немного выше, чем PRV 2. Любой избыток пара в котле приведет к росту давления выше уставки PMV, и PMV откроется для подзарядки аккумулятора. Подзарядка будет продолжаться до тех пор, пока давление в аккумуляторе не сравняется с давлением котла или пока нагрузка на установку не приведет к повторному падению давления котла ниже уставки PMV.

Если нагрузка по пару низкого давления продолжит расти и давление LP упадет ниже уставки PRV 2, PRV 2 откроется и начнет подавать пар из аккумулятора, тем самым дополняя пар, проходящий через PRV 1.

Существует несколько способов проектирования установки с аккумулятором; каждый зависит от конкретных условий и имеет свои стоимостные последствия. Подробнее аккумуляторы рассматриваются в модуле 3.22 Steam accumulators.

#Клапаны сброса избыточного давления

Возможность измерять давление до клапана можно использовать для управляемого и безопасного сброса избыточного давления из паровой системы. Клапан сброса избыточного давления по сути аналогичен PMV и открывается при росте давления до клапана. При сбросе пара в атмосферу такой клапан иногда называют dump valve.

Клапан сброса избыточного давления часто используется для ограничения максимального давления в системе утилизации вторичного пара. Если потребность во вторичном паре меньше доступного количества, давление вторичного пара будет расти, и клапан откроется, сбрасывая избыток пара в атмосферу. Клапан должен быть настроен на давление ниже уставки предохранительного клапана.

Важно: хотя это и позволяет управляемо сбрасывать пар в атмосферу, такой клапан не заменяет предохранительный клапан, если он требуется по условиям эксплуатации установки.

На Рисунке 7.3.9 PRV восполняет недостающее количество вторичного пара, образующегося из высоконапорного (HP) конденсата, а клапан сброса избыточного давления отводит избыток вторичного пара либо в конденсатор, либо в атмосферу.

Предохранительный клапан подбирается по полной пропускной способности PRV плюс пропускная способность конденсатоотводчиков и любого другого источника, подающего среду во флеш-сосуд.