Подбор регулирующих клапанов для паровых систем

Прежде чем обсуждать подбор регулирующих клапанов для паровых систем, полезно напомнить особенности пара в задачах теплопередачи.

• Пар подаётся под определённым давлением на вход регулирующего клапана, через который он проходит в теплообменник, также работающий при определённом давлении.
• Пар проходит через регулирующий клапан в паровое пространство оборудования, где контактирует с поверхностями теплопередачи.
• Пар конденсируется на поверхностях теплопередачи, образуя конденсат.
• Объём конденсата значительно меньше объёма пара. Это означает, что при конденсации пара давление в паровом пространстве уменьшается.
• Снижение давления в паровом пространстве создаёт перепад давления на регулирующем клапане, и пар начинает течь из зоны высокого давления (до регулирующего клапана) в зону низкого давления (в паровое пространство оборудования) в количестве, пропорциональном перепаду давления и, в идеале, уравновешивающем скорость конденсации.
• Скорость поступления пара в оборудование определяется этим перепадом давления и размером проходного сечения клапана. Если в какой-то момент расход пара через клапан окажется меньше скорости конденсации (например, если клапан слишком мал), давление пара и скорость теплопередачи в теплообменнике снизятся ниже требуемого уровня; теплообменник не сможет покрыть тепловую нагрузку.
• Если используется модулирующая система управления, то по мере приближения температуры процесса к уставке контроллера клапан прикрывается на соответствующую величину, уменьшая расход пара для поддержания более низкого давления, необходимого для меньшей тепловой нагрузки. (Открытие и закрытие клапана часто называют увеличением или уменьшением 'valve lift'; подробнее это объясняется в Module 6.5, 'Control Valve Characteristics').
• Закрытие клапана уменьшает массовый расход. Давление пара в паровом пространстве снижается, и вместе с ним снижается температура пара. Это означает, что разность температур между паром и процессом уменьшается, поэтому скорость теплопередачи также уменьшается в соответствии с Equation 2.5.3.

Общий коэффициент теплопередачи (U) в процессе меняется незначительно, а площадь (A) постоянна, поэтому при уменьшении средней разности температур ΔTm уменьшается и количество тепла, передаваемого от пара вторичной среде.

Поток насыщенного пара через регулирующий клапан Производитель теплообменника проектирует оборудование на определённую тепловую мощность. Чтобы обеспечить эту мощность, на поверхности теплопередачи (например, внутри змеевика shell and tube heat exchanger) должна быть определённая температура насыщенного пара. Для насыщенного пара температура и давление жёстко связаны; следовательно, управление давлением пара позволяет легко регулировать температуру.

Рассмотрим применение, где пар под давлением 10 bar g подаётся на регулирующий клапан и заданный массовый расход пара проходит через клапан в теплообменник. Клапан удерживается полностью открытым (Figure 6.4.1).

• Если установлен клапан DN50 и он полностью открыт, перепад давления на нём сравнительно мал, а пар в теплообменник поступает при достаточно высоком давлении (и температуре). Поэтому для достижения расчётной нагрузки требуется сравнительно небольшой змеевик.
• Теперь рассмотрим полностью открытый клапан DN40 в той же паровой линии, пропускающий тот же расход, что и DN50. Поскольку проходное сечение меньше, перепад давления на клапане должен быть больше, что приводит к более низкому давлению (и температуре) в теплообменнике. Следовательно, для той же тепловой нагрузки требуется большая площадь теплопередачи. Иными словами, потребуется более крупный змеевик или теплообменник.
• Дальнейшее уменьшение размера клапана потребует ещё большего перепада давления при том же массовом расходе и, чтобы сохранить ту же тепловую мощность, потребуется ещё большая площадь поверхности теплопередачи.

Независимо от размера регулирующего клапана, если потребность процесса уменьшается, клапан должен модулировать от полностью открытого положения в сторону закрытия. Однако первая часть хода оказывает лишь слабое регулирующее воздействие: процентное изменение valve lift даёт меньшее процентное изменение расхода. Обычно изменение lift на 10% может вызвать лишь 5% изменения расхода. По мере дальнейшего хода, когда тарелка приближается к седлу, картина меняется: например, 5% изменения lift может вызвать 10% изменения расхода, и регулирование становится лучше.

Начальная часть хода регулирующего клапана, на которой проявляется этот ослабленный эффект регулирования, больше при выборе более крупного клапана и соответствующего малого перепада давления при полной нагрузке. Когда же выбранный регулирующий клапан достаточно мал, чтобы при полной нагрузке на нём возникал ‘critical pressure drop’, этот эффект исчезает. Критическое давление объясняется ниже.

Кроме того, если выбрать более крупный регулирующий клапан, большее проходное сечение означает, что заданное изменение расхода будет достигаться при меньшем процентном изменении хода, чем у меньшего клапана.

Это часто делает регулирование неустойчивым и повышает вероятность ‘hunting’, особенно при пониженных нагрузках.

Критическое давление Массовый расход пара через клапан увеличивается с ростом перепада давления до тех пор, пока не будет достигнуто состояние, называемое ‘critical pressure’. Принцип можно объяснить, рассматривая работу сопел и сравнивая их с регулирующими клапанами.

Рассмотрим почти идеальное проходное сечение, например convergent-divergent nozzle, показанное на Figure 6.4.2. Если его форма правильно спроектирована под условия давления до и после сопла и под состояние подаваемого пара, такое сопло способно работать с высокой эффективностью.

Такое сопло можно представить как разновидность теплового двигателя, преобразующего тепловую энергию в механическую (кинетическую). Оно рассчитано на пропуск требуемой массы пара при заданном перепаде давления с минимальными потерями на турбулентность и трение.

В сужающейся части скорость пара растёт по мере падения давления, хотя удельный объём пара также увеличивается при снижении давления. Сначала скорость растёт быстрее, чем удельный объём, и требуемая площадь прохода в этой части сопла уменьшается. В некоторой точке удельный объём начинает увеличиваться быстрее скорости, и проходное сечение снова должно увеличиваться. В этой точке скорость пара становится звуковой, а площадь потока минимальна. Давление пара в этом минимальном сечении, или ‘throat’, называется ‘critical pressure’, и отношение этого давления к начальному абсолютному давлению оказывается близким к 0.58 для насыщенного пара.

Критическое давление немного зависит от свойств среды, а именно от отношения удельных теплоёмкостей cp/cv для пара (или другой газообразной среды), которое называют адиабатическим показателем или изоэнтропическим показателем среды и часто обозначают символами ‘n’, ‘k’ или ‘Y symbol - body text.jpg’. Для перегретого пара это отношение составляет около 0.55, а для воздуха около 0.53.

Таким образом, как только в throat nozzle или в 'vena contracta' (если используется простое отверстие) достигается critical pressure drop, дальнейшее снижение давления после устройства уже не увеличивает массовый расход.

Если перепад давления по всей длине сопла больше critical pressure drop, critical pressure всегда возникает в throat. После прохождения throat пар расширяется так, что, если площадь выходного сечения выбрана правильно, требуемое downstream pressure достигается на выходе из сопла, и при выходе пара на высокой скорости образуется лишь небольшая турбулентность.

Если же выходное сечение сопла слишком велико или слишком мало, на выходе возникнет турбулентность, снижающая пропускную способность и увеличивающая шум:

• если выходное сечение сопла слишком мало, пар не успевает полностью расшириться внутри сопла и продолжает расширяться вне сопла, пока не достигнет требуемого downstream pressure в зоне низкого давления;
• если выходное сечение сопла слишком велико, пар избыточно расширяется внутри сопла, и давление на выходе из сопла становится ниже требуемого, из-за чего вне сопла в зоне низкого давления пар начинает повторно сжиматься.

Форма сопла (Figure 6.4.3) плавно профилируется так, чтобы vena contracta возникала именно в throat сопла. (Это отличается от sharp-edged orifice, где vena contracta формируется downstream от отверстия. Эффект vena contracta подробнее рассматривается в Module 4.2 'Principles of Flowmetering').

Регулирующие клапаны можно сравнить с convergent-divergent nozzles, поскольку и те и другие имеют область высокого давления (вход клапана), сужающуюся часть (зазор между тарелкой и седлом со стороны входа), throat (самый узкий зазор между тарелкой и седлом), расходящуюся часть (выход из зазора между тарелкой и седлом) и область низкого давления (корпус клапана downstream). См. Figure 6.4.4.

Назначение сопел и регулирующих клапанов различно. Сопло в первую очередь предназначено для увеличения скорости пара с целью совершения работы (например, для вращения лопатки турбины), поэтому высокая скорость пара на выходе из сопла является желательной.

Напротив, регулирующий клапан - это устройство дросселирования потока, предназначенное для создания значительного перепада давления на паре. Скорость пара, выходящего из throat регулирующего клапана, ведёт себя аналогично скорости пара в throat convergent-divergent nozzle: она растёт по мере расширения пара в расходящейся части между тарелкой и седлом сразу после throat. Если перепад давления на клапане больше critical pressure drop, скорость пара в этой области возрастает до сверхзвуковой, поскольку давление здесь ниже, чем в throat.

Далее пар поступает в относительно большую полость корпуса клапана (зону низкого давления), где давление выше из-за backpressure от downstream pipework; это резко снижает скорость и кинетическую энергию. В соответствии с steady flow energy equation (SFEE) это почти полностью восстанавливает энтальпию пара до уровня входа в клапан. Небольшая разница обусловлена потерями энергии на трение при прохождении через клапан.

После этого поток в корпусе клапана снова сходится к выходному патрубку, направляя поток к выходу клапана, и давление (а вместе с ним и плотность) приближаются к давлению (и плотности) в downstream pipe. По мере стабилизации давления стабилизируется и скорость относительно площади поперечного сечения выходного патрубка клапана.

Относительное изменение объёма среды через клапан показано пунктирными линиями на схеме Figure 6.4.5.

Когда перепад давления на клапане превышает критический, шум может возникать из-за резкого превращения кинетической энергии в тепловую в зоне низкого давления, иногда усугубляемого наличием сверхзвукового потока.

Скорость на выходе клапана, шум, эрозия, высушивание и эффект перегрева Шум может быть важным фактором при подборе регулирующих клапанов не только потому, что он повышает уровень звука, но и потому, что сопутствующая вибрация способна повреждать внутренние элементы клапана. Доступны специальные noise-reducing trims, но иногда более дешёвым решением является применение корпуса клапана большего размера, чем требуется по пропускной способности. Для точного расчёта шума требуются сложные уравнения, которыми трудно пользоваться вручную. Обычно считается, что регулирующий клапан будет создавать недопустимый шум, если скорость сухого насыщенного пара на выходе клапана превышает 0.3 Mach. Скорость звука в паре зависит от температуры и сухости пара, но при известных условиях её можно определить по Equation 6.4.2 (Mach 1 = speed of sound).

Менее точный, но полезный метод оценки вероятности проблем с шумом заключается в расчёте скорости в выходном патрубке клапана. Для сухого насыщенного пара в упрощённом виде можно считать, что если она превышает 150 m/s, есть риск, что корпус клапана слишком мал (даже если размер trim соответствует требуемой пропускной способности). Более высокие скорости также вызывают эрозию downstream корпуса клапана, особенно если пар в этой точке влажный. Для влажного пара рекомендуется ограничивать максимальную скорость на выходе клапана значением 40 m/s.

Ещё одним следствием снижения давления пара на регулирующем клапане является высушивание или перегрев пара в зависимости от его состояния на входе. Большая степень перегрева обычно нежелательна в тепловых процессах, поэтому полезно уметь определять, когда она возникает. Для перегретого пара (и сухого газа), однако, на выходе клапана допустима скорость до 0.5 Mach, тогда как для жидкостей на другом конце шкалы максимальную выходную скорость могут ограничивать 10 m/s.

Example 6.4.1 Скорость на выходе клапана и эффект высушивания/перегрева На регулирующий клапан подаётся сухой насыщенный пар от сепаратора под давлением 12 bar g, и клапан используется для понижения давления до 4 bar g при полной нагрузке. Расход при полной нагрузке составляет 1300 kg/h, что требует Kvr = 8.3. Для подбора сначала рассматривается клапан DN25 (1") с Kvs = 10 и площадью выходного патрубка 0.000 49 m2. Какова скорость пара на выходе клапана?

Определите состояние пара на выходе клапана при 4 bar g.

Степень высушивания и перегрева можно определить следующим образом:

По steam tables total heat (hg) сухого насыщенного пара при 12 bar g = 2 787 kJ/kg.

Поскольку подаваемый пар находится в сухом насыщенном состоянии, после прохождения через клапан он обязательно станет перегретым, поэтому для определения его свойств нужно использовать таблицу перегретого пара.

Используя steam tables на сайте Spirax Sarco, можно определить состояние пара downstream при 4 bar g, выбрав 'Superheated steam' и введя давление '4 bar g' и total heat (h) 2 787 kJ/kg.

При вводе этих значений steam table даёт результат: superheated steam при 4 bar g с перегревом 16.9 degrees (442 K). (Подробнее о том, как определять downstream state, сказано в Module 2.3 'Superheated steam').

Specific volume перегретого пара при 4 bar g и 442 K равно 0.391 8 m3 / kg (по steam table).

Теперь нужно проверить, меньше ли эта скорость, чем 0.5 Mach, то есть допустимый предел для перегретого пара на выходе клапана.

Speed of sound (Mach 1) можно вычислить по Equation 6.4.2.

Для изоэнтропического показателя 'γ' принимается значение 1.3, так как пар на выходе клапана является перегретым.

R - gas constant for steam = 0.461 5 kJ/kg

T - absolute temperature = 442 K

Следовательно, скорость звука на выходе клапана:

Поскольку пар на выходе клапана перегрет, для определения допустимости шума применяется критерий 0.5 Mach.

0.5 x 515 = 257.5 m/s

Так как ожидаемая скорость 289 m/s превышает предел 257.5 m/s, клапан DN25 не подходит для этого применения, если шум является значимым фактором.

Рассмотрим следующий больший клапан - DN32 (но с trim 25 mm). Площадь его выходного патрубка составляет 0.000 8 m2 (см. Table 6.4.1).

Клапан в корпусе DN32 будет пригоден, потому что скорость на выходе меньше допустимых 0.5 Mach для перегретого пара.

Ту же процедуру можно использовать и для определения состояния downstream steam при других upstream conditions. Например, если upstream steam заведомо влажный, downstream condition может оказаться влажной, сухой насыщенной или перегретой в зависимости от перепада давления. Допустимая выходная скорость зависит от состояния downstream steam, как уже отмечалось в этом разделе и показано в Example 6.4.2.

Эрозия Ещё одна проблема - возможная эрозия корпуса клапана, вызванная чрезмерной скоростью на выходе. В Example 6.4.1 благодаря высушиванию и перегреву при снижении давления с 12 bar g до 4 bar g пар на выходе клапана полностью сухой и не содержит влаги, поэтому эрозия не должна быть проблемой.

В упрощённом виде можно считать, что если гарантированно известно, что пар, покидающий регулирующий клапан, перегрет, то разумным пределом скорости на выходе будет 250 m/s.

Иногда на регулирующий клапан подаётся насыщенный пар с некоторым содержанием влаги, например сухостью 97% или 98%. Если пар только что прошёл через правильно спроектированный сепаратор, он будет близок к 100% сухости, как в Example 6.4.1.

При любом, кроме совсем небольшого, перепаде давления влажный пар, вероятно, будет высушен до точки насыщения или даже слегка перегрет.

Если подаваемый пар сухой и/или на клапане имеется значительный перепад давления (как в Example 6.4.1), перегрев будет больше.

Уравнения для подбора регулирующих клапанов Регулирующие клапаны уступают соплам по эффективности преобразования тепловой энергии в кинетическую. Путь пара через вход клапана, throat и выход клапана достаточно извилист.

В регулирующем клапане значительно больше энергии теряется на трение, чем в сопле, и, поскольку:

• площадь выходного сечения корпуса клапана вряд ли точно соответствует downstream pressure condition;

• соотношение между положением тарелки и седлом постоянно меняется;

... турбулентность на выходе клапана почти неизбежна.

Похоже, что регулирующие клапаны разных типов могут достигать critical flow conditions при перепадах давления, отличающихся от приведённых выше для сопел. Узкие проходы в области седла и downstream от throat могут означать, что максимальный расход будет достигаться только при несколько больших перепадах давления. Ball valve или butterfly valve могут быть сформированы так, что downstream от throat достигается частичное восстановление давления, и потому условия максимального расхода возникают при общем перепаде давления несколько меньшем, чем ожидалось.

Существуют сложные уравнения подбора клапанов, учитывающие эти и другие критерии, и существует более одного стандарта, включающего такие расчёты.

Одним из таких стандартов является IEC 60534. К сожалению, расчёты настолько сложны, что их практически можно выполнять только с помощью компьютерного ПО; вручную они были бы чрезвычайно трудоёмкими.

Тем не менее при подборе регулирующего клапана для критически важного процесса такое ПО незаменимо. Например, стандарт IEC 60534 позволяет рассчитывать и такие последствия, как уровень шума, создаваемого регулирующими клапанами при больших перепадах давления. Производители регулирующих клапанов обычно располагают программным обеспечением для подбора и выбора в рамках собственных линеек клапанов.

Однако простое уравнение подбора парового клапана, например Equation 3.21.2 для насыщенного пара, вполне достаточно для подавляющего большинства паровых применений с globe valves.

Кроме того, если учитывать, что critical pressure для насыщенного пара возникает при 58% от absolute upstream pressure, globe valve вряд ли окажется заниженным.

Для простоты в оставшейся части этого модуля принимается, что critical pressure для насыщенного пара возникает при 58% от absolute upstream pressure.

Например, если absolute upstream pressure на регулирующем клапане равно 10 bar a, максимальный расход через клапан достигается, когда downstream pressure равно:

10 bar a x 58% = 5.8 bar a

Соответственно, critical pressure drop составляет 42% upstream pressure, то есть pressure drop ratio равен 0.42. Как показано ранее, после достижения этого downstream pressure дальнейшее увеличение перепада давления уже не вызывает увеличения массового расхода.

Этот эффект показан на Figure 6.4.6, где для globe valve расход увеличивается при снижении downstream pressure до тех пор, пока не достигается critical pressure drop.

Подбор регулирующего клапана для парового теплообменника - это компромисс между:

1. меньшим перепадом давления, который уменьшает размер (и возможно стоимость) теплообменника;
2. большим перепадом давления, который позволяет клапану эффективно и точно регулировать давление и расход на большей части своего хода.

Простая процедура подбора globe valves для паровых применений Поток и расширение пара через регулирующий клапан - процесс сложный. Существуют различные очень сложные расчётные формулы, однако практический подход, основанный на 'best fit' математической кривой к экспериментальным результатам, приведён в Equation 3.21.2 для globe valves, дросселирующих насыщенный пар. Преимущество этой сравнительно простой формулы состоит в том, что её можно использовать с обычным калькулятором. Она предполагает, что critical pressure drop возникает при 58% upstream pressure.

Примечание: если Equation 3.21.2 используется при P2 меньше critical pressure, то член в скобке (0.42 - curly-x - body text.jpg) становится отрицательным. Его принимают равным нулю, функция под знаком корня становится равной единице, и уравнение упрощается до вида Equation 6.4.3.

В качестве альтернативы можно использовать valve-sizing charts или Kv charts.

Терминология Обычно значение при полном ходе клапана обозначается термином Kvs: Kvr = фактическое значение, требуемое для применения

Kvs = пропускная способность при полном ходе, заявленная для конкретного клапана

Производители приводят максимальные значения Kvs для своих рядов клапанов. Поэтому значение Kv используется не только для подбора клапанов, но и как средство сравнения пропускной способности различных типов и марок клапанов. Если сравнить два клапана DN15 от разных производителей, можно увидеть, что у клапана 'A' Kvs = 10, а у клапана 'B' Kvs = 8. Клапан 'A' пропустит больший расход при том же перепаде давления.

Сведение воедино данных для подбора парового клапана Для определения правильного размера клапана требуется определённый минимум исходных данных:

• должно быть известно давление подачи пара;

• должно быть известно давление пара в теплообменнике, необходимое для покрытия максимальной тепловой нагрузки.

Разница между этими величинами определяет перепад давления на клапане при полной нагрузке.

• должна быть известна тепловая мощность оборудования, а также enthalpy of evaporation (hfg) при рабочем давлении в теплообменнике. Эти данные нужны для определения массового расхода пара.

Example 6.4.2 Для применения, показанного на Figure 6.4.7, требуется регулирующий клапан.

Производитель shell and tube heat exchanger указывает, что для покрытия тепловой нагрузки 500 kW в трубном пучке требуется давление пара 5 bar absolute. До регулирующего клапана доступен влажный пар со степенью сухости 0.96 и давлением 10 bar a. Entalpy of evaporation (hfg) при 5 bar a составляет 2 108.23 kJ/kg.

Определение расхода пара Сначала необходимо определить состояние пара для downstream condition 5 bar a. Если ввести влажный пар 10 bar a со степенью сухости 0.96 в wet steam table на сайте Spirax Sarco, можно увидеть, что total heat (hg), содержащаяся во влажном паре 10 bar, равна 2 697.15 kJ/kg.

Расчётное давление теплообменника - 5 bar a, а total heat в сухом насыщенном паре при этом давлении равна 2 748.65 kJ/kg (по steam table).

Поскольку total heat в паре 10 bar (из-за его влажности) меньше, чем total heat насыщенного пара при 5 bar, пар более низкого давления не будет полностью сухим. Степень сухости пара при 5 bar равна отношению этих двух значений total heat.

Степень сухости пара при 5 bar a = 2 697.15/2 748.65

= 0.98

Энергия, доступная для теплопередачи при 5 bar a, равна 0.98 x hfg при 5 bar a

= 0.98 x 2108.23 kJ/kg

= 2 066 kJ/kg

Теперь расход пара можно определить по Equation 2.8.1, где hfg - это enthalpy of evaporation, доступная после учёта влажности пара.

Определение pressure drop ratio (χ) при полной нагрузке

Определите требуемый Kvr.

Поскольку pressure drop ratio при полной нагрузке больше 0.42, действуют критические условия, и для определения требуемого Kvr можно использовать Equation 6.4.3.

Сначала выбирается регулирующий клапан DN25 с Kvs = 10. Теперь можно проверить, будет ли шум проблемой для такого клапана, если на выходе из клапана проходит влажный пар.

Скорость звука на выходе клапана:

Следовательно, регулирующий клапан DN25 будет непригоден для этого применения, когда через выход клапана проходит влажный пар.

Одним из решений является применение корпуса большего размера с тем же Kvs = 10 для уменьшения выходной скорости влажного пара.

Рассмотрим Table 6.4.1, чтобы определить минимальный размер регулирующего клапана с площадью выходного сечения больше 0.002 22 m2.

Из Table 6.4.1 видно, что самым маленьким клапаном, удовлетворяющим максимальной допустимой скорости 40 m/s для влажного пара, будет клапан DN65 с площадью выходного сечения 0.003 32 m2.

Следовательно, из-за прохождения влажного пара через выход клапана размер регулирующего клапана в данном случае пришлось бы увеличить с DN25 (1") до DN65 (2½").

Лучшим решением, вероятно, было бы установить сепаратор перед регулирующим клапаном. Это позволило бы использовать меньший клапан DN25, что предпочтительнее, потому что:

• это обеспечит лучшее регулирование, так как размер клапана будет более адекватно соответствовать изменениям паровой нагрузки;
• это гарантирует прохождение сухого пара через регулирующий клапан, уменьшая склонность к эрозии седла и выходной части клапана;
• это обеспечит оптимальную работу теплообменника, поскольку поверхность нагрева не будет теплово изолироваться влагой из влажного пара;
• стоимость меньшего клапана с меньшим приводом плюс сепаратор, вероятно, будет примерно такой же, как стоимость более крупного клапана с более крупным приводом.

Подбор по условному перепаду давления Если рабочее давление оборудования неизвестно, иногда приходится идти на компромисс.

Следует подчеркнуть, что этот метод нужно использовать только в крайнем случае и что нужно приложить все усилия, чтобы определить рабочие давления и расход.

В таких обстоятельствах рекомендуется выбирать регулирующий клапан по перепаду давления 10% - 20% от давления до клапана. В этом случае выбранный регулирующий клапан, скорее всего, окажется завышенным по размеру.

Чтобы улучшить ситуацию, equal percentage valve обеспечит лучшую эксплуатационную характеристику, чем linear valve (подробнее это рассматривается в Module 6.5 'Control valve characteristics').

Подбор по условному перепаду давления не рекомендуется для критически важных применений.

Чем больше перепад давления, тем лучше? Обычно лучше подбирать паровой клапан так, чтобы при максимальной нагрузке на регулирующем клапане возникал critical pressure drop. Это помогает уменьшить размер и стоимость регулирующего клапана.

Однако условия применения не всегда это позволяют.

Например, если рабочее давление теплообменника 4.5 bar a, а максимально доступное давление пара только 5 bar a, клапан можно подобрать только на 10% перепада давления ([5 – 4.5]/5) = 0.1. В этой ситуации подбор по critical pressure drop слишком сильно уменьшил бы размер регулирующего клапана, и теплообменник не получил бы достаточного количества пара.

Если невозможно увеличить давление подачи пара, одним из решений является установка более крупного теплообменника, работающего при более низком давлении. Тогда перепад давления на регулирующем клапане увеличится.

Это может позволить использовать меньший клапан, но, к сожалению, потребуется более крупный теплообменник, поскольку его рабочее давление (и температура) теперь ниже.

Однако у более крупного теплообменника, работающего при более низком давлении, есть и преимущества:

• меньше склонность к образованию накипи и fouling на поверхностях нагрева, так как требуемая температура пара ниже;
• в системе конденсата образуется меньше flash steam, а значит, меньше backpressure в линии возврата конденсата.

Важно уравновесить стоимость клапана и теплообменника, способность клапана правильно регулировать процесс и влияние на остальную систему, как объяснялось выше.

В паровых системах equal percentage valves обычно оказываются лучшим выбором, чем linear valves, поскольку малые перепады давления меньше влияют на их рабочие характеристики.

Типы паровых теплообменников Эта тема выходит за рамки данного модуля, однако полезно кратко рассмотреть два основных типа теплообменников, используемых для парового нагрева и технологических процессов.

Shell and tube heat exchanger Традиционно shell-and-tube heat exchanger применялся во многих паровых нагревательных и технологических системах в широком спектре отраслей. Это прочное оборудование, нередко 'over-engineered' для конкретной задачи. Обычно оно обладает значительной массой и большой thermal hysteresis, что может делать его неудобным для некоторых ответственных применений.

Shell-and-tube heat exchangers часто оказываются сильно завышенными по размеру уже на этапе первоначальной установки, главным образом из-за больших fouling factors, заложенных в расчёт. У них, как правило, низкая скорость пара внутри паровых труб, что уменьшает:

• turbulence;

• shear stress между движущимся паром и стенкой трубы;

• heat transfer.

Низкий shear stress также плохо очищает поверхности труб, поэтому на стадии проектирования обычно закладываются большие fouling factors, что и приводит к завышению размера. Из-за этого после установки фактическое давление пара часто оказывается значительно ниже ожидаемого. Если это не было заранее учтено, конденсатоотводчик может оказаться подобран неправильно, а паровые трубы могут заполниться конденсатом, что приведёт к нестабильному регулированию и плохой работе.

Plate (and frame) heat exchanger Plate heat exchangers являются полезной альтернативой: будучи относительно небольшими и лёгкими, они имеют малую массу и чрезвычайно быстро реагируют на изменения тепловой нагрузки.

При правильном проектировании они, как правило, не склонны к fouling, но если загрязнение всё же происходит, их легко разобрать, очистить и снова ввести в эксплуатацию. По сравнению с shell-and-tube exchangers они могут работать при более низких давлениях при той же тепловой нагрузке, но благодаря высокой интенсивности теплопередачи и меньшей необходимости завышения размера они всё равно оказываются меньше и дешевле сопоставимого shell-and-tube exchanger.

Следовательно, plate heat exchangers (при правильном проектировании под пар) экономически лучше подходят для работы с большими перепадами давления на регулирующих клапанах, чем shell-and-tube аналоги. Это позволяет применять более маленькие и дешёвые регулирующие клапаны при одновременном снижении стоимости самого теплообменника. В целом лучше проектировать систему так, чтобы plate exchanger работал при critical pressure drop (или максимально возможном перепаде давления) на регулирующем клапане при полной нагрузке.

Следует подчеркнуть, что не все plate heat exchangers подходят для работы с паром. Очень легко купить теплообменник, рассчитанный на жидкость, и ошибочно предположить, что он будет отлично работать и на паре. Правильный выбор для пара - это не просто вопрос совместимости по давлению и температуре. Надёжные производители обладают соответствующей экспертизой, и при использовании пара как основного энергоносителя за такой консультацией всегда следует обращаться.

Примеры подбора пара по графикам Требуемый 'flow coefficient' (Kvr) можно определить несколькими способами, включая расчёт по Equation 3.21.2 или Equation 6.4.3 либо с помощью компьютерного ПО. Альтернативный простой метод подбора - использование Kv chart, Figure 6.4.8. Ниже приведено несколько примеров.

Насыщенный пар

Example 6.4.3 - Применение с критическим перепадом давления Паропотребление теплообменника = 800 kg/h

Давление пара до клапана = 9 bar a

Требуемое давление пара в теплообменнике = 4 bar a

Используйте steam Kv chart (Figure 6.4.8):

1. Проведите линию от 800 kg/h по оси расхода пара.
2. Проведите горизонтальную линию от 9 bar по оси входного давления.
3. В точке пересечения с линией critical pressure drop (верхняя правая диагональ) проведите вертикальную линию вниз до пересечения с горизонталью 800 kg/h.
4. Считайте Kv в этой точке пересечения, то есть Kvr = 7.5.

Example 6.4.4 - Применение без критического перепада давления Паропотребление теплообменника = 200 kg/h

Давление пара до клапана = 6 bar a

Требуемое давление пара в теплообменнике = 5 bar a

Используйте steam Kv chart (Appendix 1).

Как и в Example 6.4.3, проведите линию от расхода пара 200 kg/h, затем проведите линию от давления на входе 6 bar до линии перепада давления 1 bar.

Из точки пересечения опустите вертикальную линию до пересечения с горизонталью 200 kg/h и считайте Kv, то есть Kvr = 3.8.

Example 6.4.5 - Определение перепада давления (ΔP) на клапане с известным Kvs Паропотребление теплообменника = 3 000 kg/h

Давление пара до клапана = 10 bar a

Kvs используемого клапана = 36

Используйте steam Kv chart (Appendix 1).

Проведите горизонтальную линию от 3 000 kg/h до пересечения с линией Kv 36. Из этой точки проведите вертикальную линию вверх до пересечения с горизонталью 10 bar.

Считайте перепад давления в этой точке пересечения, ΔP = 1.6 bar.

Примечание: в приведённых примерах для перевода gauge pressure (bar g) в absolute pressure (bar a) просто прибавьте '1', например 10 bar g = 11 bar a.

Перегретый пар Для подбора клапана на перегретый пар см. Example 6.4.6 и график перегретого пара Figure 6.4.9.

Example 6.4.6 Следующий пример показывает, как использовать график для 100°C перегрева: следуйте по соответствующей линии расхода пара слева до вертикальной линии, соответствующей 100°C перегрева, затем, как обычно, проведите горизонтальную линию от полученной точки пересечения. Таким образом график вводит поправочный коэффициент на перегрев и корректирует значение Kv.

Выбор регулирующего клапана для парового применения В предыдущем разделе рассматривалась процедура подбора регулирующего клапана по требуемому расходу и перепаду давления на клапане. На основе этих данных можно определить значение Kvs регулирующего клапана. Обращение к соответствующей технической документации по продукции позволяет выбрать нужный размер клапана.

Однако при выборе регулирующего клапана необходимо учитывать и ряд других факторов. Материал корпуса должен соответствовать применению. Клапаны изготавливаются из cast iron, SG iron, bronze, steel, stainless steel, а также из специальных материалов для особых применений, например titanium steel.

Конструкция и материал регулирующего клапана должны соответствовать давлению системы, в которой он будет установлен. В Европе многие клапаны имеют номинальный класс давления корпуса, обозначаемый буквами 'PN', что фактически означает 'Pression Nominale'. Это соответствует максимальному давлению (bar gauge), которое клапан может выдерживать при температуре 120°C. Чем выше температура, тем ниже допустимое давление, что даёт типичную pressure/temperature curve, показанную на Figure 6.4.10.

Следует помнить, что материал, из которого изготовлен регулирующий клапан, существенно влияет на pressure/temperature chart. Типичные предельные условия:

Как правило, если условия давления/температуры попадают в эту область, регулирующий клапан использовать нельзя.

На допустимые пределы влияют также расчётная толщина стенок и способ соединения частей корпуса. Например, клапан из SG iron может иметь класс PN16 и также выпускаться в немного иной конструкции с классом PN25. На пределы могут влиять местные и национальные нормы, как и тип применяемого присоединения.

Контрольный список основных факторов, которые нужно учитывать при выборе регулирующего клапана для парового применения:

1. Следует определить массовый или объёмный расход, который рассматривается (обычно максимальный, нормальный или минимальный).
2. Рабочая среда (она может влиять на выбор материалов корпуса и внутренних деталей клапана).
3. Доступное upstream pressure при максимальной, нормальной и минимальной нагрузке.
4. Downstream pressure при максимальной, нормальной и минимальной нагрузке.
5. Требуемое значение Kv.
6. Перепад давления на клапане при максимальной, нормальной и минимальной нагрузке.
7. Размер корпуса клапана.
8. Материал корпуса и его номинальный класс давления.
9. Максимальный перепад давления при shut-off.
10. Требуемый тип присоединений. Какие соединения нужны на входе и выходе клапана: резьбовые или фланцевые, и какой тип фланца, например ASME, EN 1092 или DIN?
11. Максимальная температура среды, проходящей через клапан.
12. Любые специальные требования, например специальные варианты сальникового уплотнения; упрочнённые седло и тарелка; soft seats для абсолютно герметичного shut-off; и другие. Примечание: производители ограничивают допустимую утечку регулирующих клапанов согласованными пределами и/или они могут регулироваться национальными стандартами. См. также пункт 17.
13. Требования к управлению в данном применении. Подробнее это рассматривается в Module 6.5. Кратко: применению, где требуется on/off control (либо полностью открыт, либо полностью закрыт), может понадобиться одна характеристика клапана, тогда как применению, где требуется continuous control (любая степень открытия или закрытия), может лучше подойти другая.
14. Метод привода и тип управления, например self-acting, electric, pneumatic, electropneumatic.
15. Уровень шума. Часто требуется удерживать шум ниже 85 dBA на расстоянии 1 m от трубопровода, если люди должны работать в этой зоне без средств защиты. Этого можно достичь, сохранив размер внутренних деталей, но увеличив размер присоединений. (У многих регулирующих клапанов доступны варианты reduced trim; кроме того, существуют специальные noise-reducing trims и/или может применяться акустическая изоляция клапана и трубопровода. Клапаны для критически важных процессов следует подбирать с использованием ПО по IEC 60534 или национальному эквиваленту.
16. Перепад давления, размер корпуса клапана и уровень шума взаимосвязаны и должны рассматриваться совместно. Хорошей практикой считается удерживать скорость downstream steam в корпусе клапана обычно ниже 150 m/s для насыщенного пара и 250 m/s для перегретого. Это можно обеспечить увеличением размера корпуса клапана, что одновременно уменьшит скорость на выходе клапана и вероятность чрезмерного шума. Для насыщенного пара допустимо рассматривать скорость на выходе 150 - 200 m/s, если гарантировано, что пар всегда сухой насыщенный на входе в клапан. Это связано с тем, что в этих условиях пар на выходе регулирующего клапана окажется перегретым вследствие эффекта перегрева при снижении давления сухого насыщенного пара. Следует учитывать, что это общие ориентиры; разные стандарты могут давать разные рекомендации.
17. Утечка и отсечение. Регулирующие клапаны предназначены для регулирования расхода, а не для полного отсечения подачи, и при полном закрытии обычно всё же допускают небольшую утечку. Регулирующие клапаны изготавливаются по стандарту, связанному с плотностью закрытия. Как правило, чем лучше shut-off, тем дороже клапан. Для паровых регулирующих клапанов утечка 0.01% вполне достаточна для большинства применений.
18. Turndown. Обычно выражается как отношение максимального ожидаемого расхода в применении к минимальному контролируемому расходу через регулирующий клапан.
19. Rangeability. Обычно выражается как отношение максимального контролируемого расхода через клапан к минимальному контролируемому расходу, в пределах которого сохраняются характеристики регулирующего клапана. Для паровых применений обычно приемлема rangeability 50:1.
20. Нельзя завершать этот модуль о регулирующих клапанах, не упомянув стоимость. Тип клапана, материалы конструкции, варианты исполнения и специальные требования неизбежно вызывают разброс стоимости. Для оптимальной экономичности выбранный клапан должен точно соответствовать применению и не быть избыточно специфицирован.

Appendix 1 Saturated steam valve sizing chart

Appendix 2 Superheated steam valve sizing chart