Паровые аккумуляторы

Полный обзор необходимости аккумулирования пара для покрытия пиковых нагрузок в отдельных отраслях, включая конструкцию, устройство, принцип работы и расчёты парового аккумулятора.

Назначение парового аккумулятора — отдавать пар, когда потребность превышает текущую способность котла обеспечить подачу, и принимать пар, когда нагрузка низкая. Иногда паровые аккумуляторы считают пережитком «эпохи пара», мало применимым в современной промышленности.

#Конструкция котлов

Современные котлы заметно меньше своих аналогов тридцатилетней давности. Такое уменьшение размеров обусловлено требованиями пользователей, которым нужны котлы:

• более эффективные по отношению расхода топлива к выработке пара;
• быстрее реагирующие на изменение нагрузки;
• меньшие по габаритам и, следовательно, занимающие меньше площади;
• более дешёвые в покупке и монтаже.

Эти цели частично достигнуты благодаря более совершенным современным системам управления / горелкам, которые реагируют на изменение нагрузки быстрее и точнее, чем устройства прошлых лет. Однако реакция котла на изменение нагрузки определяется не только автоматикой, но и законами физики, например количеством воды, которую нужно нагреть, и площадью теплопередачи, доступной для передачи тепла от факела горелки к воде.

Время отклика удалось уменьшить за счёт физического уменьшения наружных размеров котла при той же производительности и за счёт плотного размещения труб для увеличения площади теплопередачи. Это означает, что современный котёл содержит меньше воды, а площадь теплопередачи на каждый kg воды у него больше. Рассмотрим типичную ситуацию сегодня:

1. Потребность установки в паре возрастает, и давление в котле падает до уставки системы управления горелкой.
2. Система управления горелкой продувает камеру сгорания, после чего горелка воспламеняется.
3. Большая площадь теплопередачи и меньшая масса воды быстро испаряют воду в котле, удовлетворяя потребность в паре.

Как отмечалось в Модуле 3.7, «Boiler Fittings and Mountings», энергия, запасённая в котле, содержится в воде, находящейся при температуре насыщения. Чем больше воды в котле, тем больше запасённой энергии для компенсации изменений нагрузки.

Таблица 3.22.1 сравнивает старый котёл Lancashire 1950-х годов с современным пакетным котлом. Следует отметить, что современный пакетный котёл содержит лишь 20% от объёма воды, находившегося в сопоставимом по производительности котле Lancashire. Следовательно, запас энергии современного пакетного котла также составляет лишь 20% от запаса котла Lancashire. Это говорит о том, что современный пакетный котёл не способен покрывать пиковые нагрузки так же, как старый котёл Lancashire.

Из Таблицы 3.22.1 также видно, что «скорость отделения пара» с поверхности воды внутри современного пакетного котла выросла в 2.7 раза. Это означает, что у пара остаётся только 1/2.7 (40%) того времени, которое было в котле Lancashire, чтобы отделиться от воды. Во время пиковых нагрузок это может означать, что из современного пакетного котла будет выходить влажный пар, возможно при более низком давлении, чем проектное — см. Модуль 3.12 «Controlling TDS in the Boiler Water».

Вода, уносимая с паром, будет загрязнена (примерно 3 000 ppm TDS) и загрязнит регулирующие клапаны и поверхности теплопередачи. Она может даже заблокировать некоторые мелкие отверстия в приборах контроля давления, конденсатоотводчиках и т. п. Примечание: данные для создания Таблицы 3.22.1 были предоставлены Thermsave. В таблице также приведены imperial units, чтобы показать факторы, использовавшиеся при проектировании котлов в прошлом.

#Пиковые нагрузки

Потребление пара технологическим оборудованием редко бывает стабильным, однако масштаб и характер колебаний зависят от применения и отрасли. Пики могут возникать раз в неделю или даже ежедневно во время пуска.

Наиболее серьёзные проблемы, вызванные пиковыми нагрузками, обычно связаны с периодическими производствами:

• пивоварение;
• текстиль;
• химчистка;
• консервное производство;
• производство лёгких бетонных блоков;
• отдельные специализированные участки металлургии;
• резиновая промышленность с крупными автоклавами.

Для этих процессов пики могут быть значительными, продолжительными и измеряться долями часа.

В других случаях циклы нагрузки состоят из кратковременных, но частых пиков с очень большим мгновенным расходом:

• отделка чулочно-носочных изделий;
• резиновая промышленность;
• формование пластмасс и полистирола;
• паровая очистка кожуры;
• стерилизация в больницах и промышленности.

На Рисунке 3.22.1 видно, что во всех этих случаях потребность возникает почти мгновенно, а пики значительно превышают среднюю нагрузку. Следствием внезапного требования по пару является падение давления в котельной установке, поскольку котёл и его оборудование сжигания топлива не способны вырабатывать пар с той скоростью, с которой его отбирают. Пиковые нагрузки и последующие падения давления могут иметь весьма серьёзные последствия для производства.

В худшем случае котёл переходит в режим блокировки из-за повышения уровня воды при интенсивном кипении, за которым следует его резкое падение. Система контроля уровня воспринимает это как аварийный низкий уровень воды.

В лучшем случае вырабатываемый пар оказывается влажным и загрязнённым. В сочетании со снижением давления это может привести к:

• увеличению длительности технологических операций;
• снижению качества продукции либо её повреждению или потере;
• гидроудару в паропроводах, вызывающему повреждение трубопроводов и арматуры и создающему опасность для персонала.

Для котельной установки пиковые нагрузки означают:

• более высокий уровень обслуживания;
• сокращение срока службы котла;
• снижение топливной эффективности.

Это связано с тем, что оборудование горения постоянно циклирует от малого до большого пламени и даже полностью отключается в периоды очень низкой нагрузки, чтобы через несколько минут снова включиться со всеми эффектами охлаждения во время пред- и постпродувки.

Для борьбы с пиковыми нагрузками (и неизбежными последующими провалами) иногда используют несколько котлов или котлы завышенной мощности, что в итоге приводит к низкой эффективности.

Чтобы проиллюстрировать это, можно принять, что:

• для среднего парового котла менее 1% потерь обусловлено тепловым излучением от корпуса котла (например, 1% от Maximum Continuous Rating (MCR));
• если котёл вырабатывает 50% от своего MCR, потери на излучение составляют уже 2% относительно его текущей производительности;
• если котёл вырабатывает 25% от MCR, потери составляют уже 4% от производительности.

И так далее, вплоть до режима, когда котёл просто поддерживает давление, не отпуская пар в цех. В этот момент 1% от его MCR оказывается 100%-й потерей по отношению к фактической паропроизводительности.

Если котельную подбирают под пиковые нагрузки, возникают проблемы из-за завышенной мощности относительно средней нагрузки. На практике котёл может отключиться в период малой нагрузки. Если затем последует резкий всплеск потребления и котёл в этот момент не работает, может возникнуть аварийная ситуация.

Сработает сигнализация, котёл может заблокироваться, а восстановление подачи пара будет медленным и затруднительным.

Иными словами, пики вызывают:

• потери производства;
• снижение качества продукции;
• увеличение производственных циклов;
• плохое качество пара от котла;
• низкую топливную эффективность;
• высокие затраты на обслуживание;
• сокращение срока службы котла.

#Методы выравнивания нагрузки

Современные котлы очень эффективны при правильной загрузке и быстро реагируют на увеличение нагрузки, если горелка в этот момент работает. Однако обычные жаротрубные котлы, как правило, не способны удовлетворительно покрывать большие пиковые нагрузки и должны быть защищены от крупных колебаний потребления.

Для того чтобы создать более стабильный профиль нагрузки и защитить котельную от последствий больших колебаний, используют различные методы.

#Инженерные методы

Клапаны поддержания давления могут использоваться как устройства сброса нагрузки, изолируя второстепенные части установки и тем самым отдавая приоритет основным потребителям; типовая схема показана на Рисунке 3.22.2. Успех этого метода снова зависит от выраженности пиков и от того, работает ли котёл в момент возникновения пика. Клапаны поддержания давления также могут устанавливаться непосредственно на котёл или на главный паропровод к производству, как показано на Рисунке 3.22.3.

Уставка давления должна быть:

• ниже давления управления режимом максимального пламени, чтобы клапан поддержания давления не вмешивался в работу горелки;
• достаточно высокой, чтобы поддерживать безопасное давление в котле.

С точки зрения подбора клапана поддержания давления основное требование — минимальное падение давления. В качестве общего ориентира следует рассматривать клапан линейного размера. Двухэлементное или трёхэлементное регулирование уровня воды также может быть эффективным, если пики не слишком резкие, котёл работает в момент возникновения пика и имеет достаточную мощность.

При двухэлементном регулировании для позиционирования клапана питательной воды используются сигналы от системы контроля уровня воды в котле и от расхода пара.

При трёхэлементном регулировании используются те же два сигнала плюс сигнал от устройства измерения расхода питательной воды для управления не только положением клапана, но и самим расходом питательной воды. (Этот третий элемент целесообразен только на котлах с модулирующим регулированием уровня в котельных с кольцевой магистралью питательной воды.)

Пример 3.22.1

Котёл имеет номинал 5 000 kg/h 'From and At'

Уставки давления режимов максимального / минимального пламени составляют соответственно 11.3/12.0 bar g (12.3/13.0 bar a).

Уставка клапана поддержания давления составляет 11.0 bar g (12.0 bar a).

1. Исходя из скорости около 25 m/s, выбирается паропровод 100 mm.
2. Kvs стандартного клапана поддержания давления DN100 составляет 160 m³/h.
3. Используя следующее уравнение массового расхода для насыщенного пара, можно рассчитать давление после клапана поддержания давления (P2): В этом примере при минимальном пламени давление котла равно 12 bar g (13 bar a).

Из Уравнения 3.21.2 можно рассчитать, что давление после полностью открытого клапана поддержания давления равно 11.89 bar g (12.89 bar a).

Следовательно, падение давления невелико (0.11 bar) и не будет значимым в нормальной эксплуатации. Однако если давление упадёт до 11.0 bar g, клапан поддержания давления начнёт закрываться, чтобы поддерживать давление перед собой.

Пропорциональную зону регулятора следует установить как можно уже, не допуская при этом «охоты» клапана около уставки.

Оба способа применения клапанов поддержания давления могут защитить котельную установку, но не устраняют фундаментальную потребность процесса в большем количестве пара.

#Организационные методы

Сюда относятся, например, разнесённые по времени пуски процессов, позволяющие удерживать пиковые нагрузки как можно ниже. Такой способ сглаживания пиков может быть полезен для котельной, но может отрицательно сказаться на производстве и ограничить его, оказывая эффект, сходный с клапаном поддержания давления.

Однако сгладить кратковременные пики только организационными методами невозможно.

На предприятии, где много отдельных процессов создают подобные пики, возможно их взаимное усреднение, но не исключена и противоположная ситуация, когда многие процессы одновременно выходят на пик с тяжёлыми последствиями.

Если перечисленные выше методы не обеспечивают требуемой стабильности спроса, стоит рассмотреть возможность аккумулирования пара.

#Паровой аккумулятор

Наиболее подходящий способ мгновенно обеспечить чистый сухой пар для покрытия пикового спроса — использовать хранение энергии в форме пара, чтобы затем «высвобождать» её по мере необходимости. Хранить пар как газ под давлением непрактично из-за огромного объёма, который для этого потребовался бы при обычных котельных давлениях.

Это проще всего объяснить на примере:

В примере, рассматриваемом далее в этом модуле, используется сосуд объёмом 52.4 m³.

• давление зарядки — 10 bar g (удельный объём = 0.177 m³/kg);
• давление разрядки — 5 bar g (удельный объём = 0.315 m³/kg).

При таких параметрах запасённая энергия, готовая к мгновенной отдаче в установку, содержится всего в 130 kg пара. Это составляет лишь 5.2% энергии, запасённой и готовой к использованию, по сравнению с аккумулятором, заполненным водой.

На практике существует два способа получения пара:

• путём подвода тепла к кипящей воде косвенно, через жаровую трубу и горелку, как в обычном котле;
• путём снижения давления воды, хранящейся при температуре насыщения. В результате в воде возникает избыток энергии, из-за чего часть воды превращается в пар.

Это явление называется flashing, а оборудование для хранения такой воды под давлением называют паровым аккумулятором. В принципе существуют два типа систем аккумулирования пара: аккумулятор с падением давления и аккумулятор постоянного давления. В этом модуле рассматривается только первый тип.

По сути паровой аккумулятор является продолжением способности котла(ов) запасать энергию. Когда потребность установки в паре невелика и котёл может вырабатывать больше пара, чем требуется, избыточный пар подаётся в массу воды, хранящуюся под давлением. За некоторый период времени запасённая вода повышает температуру и давление, пока не достигнет температуры насыщения при давлении, на котором работает котёл.

Потребность превысит возможности котла, когда:

• нагрузка прикладывается быстрее, чем котёл способен отреагировать. Например, горелка(и) может(могут) быть погашена(ы), и до безопасного повторного розжига необходимо завершить цикл продувки. Это может занять до 5 минут, причём цикл продувки не добавляет тепло котлу, а, наоборот, немного охлаждает воду. Добавьте к этому, что flashing котловой воды вызывает падение уровня воды, и система контроля уровня автоматически компенсирует это подачей питательной воды, например, при 90 °C. Это «закалит» воду, уже находящуюся при температуре насыщения, и усугубит ситуацию;
• большая нагрузка сохраняется дольше обычного.

В обоих случаях результатом станет падение давления внутри парового аккумулятора, из-за чего часть горячей воды начнёт вскипать с образованием пара. Скорость flashing зависит от давления хранения и от того, с какой скоростью пар требуется питаемой системе.

Зарядка

Паровой аккумулятор с падением давления представляет собой цилиндрический сосуд под давлением, частично заполненный водой — от 50% до 90% объёма в зависимости от применения. Пар подаётся ниже поверхности воды через распределительный коллектор с рядом паровых инжекторов до тех пор, пока весь объём воды не достигнет требуемого давления и температуры.

Естественно, уровень воды будет повышаться и понижаться во время зарядки и разрядки.

Если аккумулятор заряжается насыщенным (или влажным) паром, возможен небольшой прирост воды из-за лучистых потерь от сосуда. Обычно масса отдаваемого пара чуть больше массы поступающего.

Конденсатоотводчик (поплавкового типа) устанавливается на рабочем уровне и действует как ограничитель уровня, отводя небольшое количество избыточной воды в систему возврата конденсата.

Однако если аккумулятор заряжать перегретым паром либо если лучистые потери очень малы, произойдёт постепенная потеря воды из-за испарения, и потребуется питательный клапан или насос под управлением зондов уровня для восполнения дефицита.

Разрядка

Когда в паровом аккумуляторе при температуре насыщения запасённой воды происходит падение давления, образуется вторичный пар в количестве, соответствующем любой нагрузке сверх производительности котла; таким образом режим перегрузки покрывается. Когда после перегрузки спрос падает ниже производительности котла, аккумулятор вновь заряжается за счёт избыточного пара от котла. Именно этот цикл зарядки и разрядки объясняет название «паровой аккумулятор» и позволяет котлу постоянно работать до своей максимальной продолжительной производительности.

Цикл зарядки / разрядки

Чтобы аккумулятор работал правильно, к началу периода разрядки он должен быть полностью заряжен. Для этого должны выполняться два главных условия:

1. От конца одного периода перегрузки до начала следующего должно быть достаточно времени, чтобы снова нагреть запасённую в аккумуляторе воду.
2. Средняя потребность в паре вне пиков должна быть ниже производительности котла (maximum continuous rating или MCR), чтобы в непиковое время оставалась достаточная избыточная мощность котла для повторной зарядки аккумулятора.

Другие критерии также важны для обеспечения достаточной ёмкости аккумулятора, и они должны быть учтены в проекте:

1. Должно быть запасено достаточно воды, чтобы обеспечить требуемое количество вторичного пара в период разрядки. Это выполняется, если объём аккумулятора достаточно велик.
2. При высоких скоростях выхода пар будет влажным. Скорость и расход, с которыми вторичный пар отделяется от поверхности воды, должны быть ниже заданного значения. Это обеспечивается достаточно большой площадью поверхности воды, которая, в свою очередь, зависит от размеров аккумулятора.
3. Испарительная способность должна быть достаточной. Она зависит от давления, при котором вода хранится при полной зарядке (давление котла), и от минимального давления, при котором аккумулятор будет работать в конце периода разрядки (расчётное давление аккумулятора). Чем больше разница между этими давлениями, тем больше вторичного пара будет образовано.
4. Расчётное давление аккумулятора должно быть выше давления в распределительной сети после редукционного клапана. Это необходимо для создания перепада давления на редукционном клапане (PRV), чтобы обеспечить требуемый расход от аккумулятора к потребителю. Чем ближе давление аккумулятора к давлению распределения, тем меньше может быть сам аккумулятор, но тем меньше и перепад давления на PRV. Это потребует более крупного PRV, способного пропустить максимальную перегрузочную нагрузку, когда аккумулятор работает на своём расчётном давлении (минимальном давлении в аккумуляторе в конце периода разрядки).

#Подбор размера парового аккумулятора

Паровой аккумулятор в системе увеличивает запас энергии. Правильное проектирование парового аккумулятора позволяет обеспечить практически любой требуемый расход. Теоретических ограничений по размеру нет, хотя на практике они, конечно, существуют.

На практике объём парового аккумулятора определяется требуемым запасом для покрытия пикового спроса при допустимом падении давления и при условии подачи чистого сухого пара с приемлемой скоростью отделения от поверхности воды. В Примере 3.22.2 ниже рассчитывается потенциальная паровая ёмкость горизонтального парового аккумулятора.

Пример 3.22.2 Котёл: Максимальная продолжительная производительность = 5 000 kg/h Нормальное рабочее давление = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, по таблицам пара) Дифференциал переключения горелки = 1 bar (0.5 bar по обе стороны от 10 bar g)

Требования установки: Максимальная мгновенная перегрузка = 12 000 kg/h Давление распределения = 5 bar g

Хотя максимальная мгновенная перегрузка составляет 12 000 kg/h, для подбора аккумулятора следует использовать среднее значение перегрузки.

Это позволяет избежать ненужного завышения размера аккумулятора. Аналогично необходимо определить и использовать среднюю «непиковую» нагрузку в расчёте. Непиковой считается любая нагрузка ниже MCR котла.

Определение среднего значения перегрузки и непиковой нагрузки

Для существующей котельной установки есть три возможных способа определить средние нагрузки:

1. Оценить приблизительно на основе опыта.
2. Проанализировать существующие графики паропроизводительности котла, чтобы определить средние нагрузки и интервалы времени, в течение которых они действуют.
3. Запрограммировать компьютер паросчётчика на интегрирование нагрузки по пару как в периоды перегрузки, так и в непиковые периоды.

Метод 1 может оказаться довольно рискованным, если в итоге дорогой аккумулятор окажется недостаточного размера.

Однако если котельная установка ещё только проектируется, единственным вариантом будет инженерная оценка. На основании знаний о будущей установке проектировщик должен иметь возможность достаточно обоснованно оценить максимальную нагрузку, коэффициент неравномерности и продолжительность соответствующих периодов.

Метод 2 довольно прост в реализации и должен дать достаточно точный результат.

Метод 3 даст наиболее точные результаты, а стоимость паросчётчика мала по сравнению с общей стоимостью проекта по установке аккумулятора.

Следующая процедура показывает, как определить средние паровые нагрузки по существующему графику нагрузки. Она построена на основе Рисунка 3.22.4, который показывает профиль расхода для Примера 3.22.2.

#Арматура и оборудование парового аккумулятора

Ниже приведён обзор оборудования, необходимого для установки парового аккумулятора, а также рекомендации по подбору его размеров и типов.

Используются данные из Примера 3.22.2:

Котёл: Максимальная продолжительная производительность = 5 000 kg/h Нормальное рабочее давление = 10 bar g

Аккумулятор: Требуемая масса воды для аккумулирования пара = 65 920 kg (при полной зарядке и заполнении 90% объёма сосуда) P1 (давление котла) = 10 bar g (полностью заряжен) P2 (давление разрядки) = 6 bar g (полностью разряжен)

Требования установки: Давление = 5 bar g Наибольшая средняя перегрузка = 10 300 kg/h в течение 30 минут каждые 95 минут, из которых 5 000 kg/h обеспечивает котёл.

Из этих данных следует, что 65 920 kg воды должны быть нагреты от температуры насыщения при 6 bar g до температуры насыщения при 10 bar g за 95 минут.

Трубопроводы

Трубопровод между котлом и паровым аккумулятором следует подбирать обычным образом по скорости пара 25–30 m/s и по максимальной производительности котла.

В случае Примера 3.22.2 это потребует трубопровод DN100 от котла к аккумулятору для переноса Maximum Continuous Rating (MCR) котла 5 000 kg/h при 10 bar g.

Трубопровод от аккумулятора к PRV следует подбирать по максимальной мгновенной перегрузке и скорости не более 20 m/s. Для данного примера потребуется труба условным проходом DN250 при расчётном давлении аккумулятора 6 bar g.

Запорный клапан

Помимо главного котлового клапана требуется дополнительный запорный клапан линейного размера. Подходящим будет запорный клапан соответствующего класса, предпочтительно из литой стали.

Обратный клапан

Требуется обратный клапан линейного размера, чтобы предотвратить обратный поток пара в котёл в случае намеренной остановки котла или его перехода в режим блокировки.

Подходящим выбором будет дисковый обратный клапан.

Клапан поддержания давления

Клапан поддержания давления необходим, чтобы обеспечить соответствие расхода пара от котла к аккумулятору возможностям котла. В Примере 3.22.1 показано, как подбирается такой клапан.

На небольших установках можно использовать пилотные самодействующие клапаны поддержания давления, если приемлема их узкая (и не регулируемая) пропорциональная зона. Для более крупных установок лучше подходит пневматический контроллер с регулирующим клапаном, поскольку он даёт возможность настраивать пропорциональную зону.

Для данного применения выбирается пневматически управляемый регулирующий клапан DN100 с соответствующей пропускной способностью и функцией отсечения.

#Оборудование для впрыска пара

Правильно подобранный трубопровод подачи пара должен входить значительно ниже поверхности воды и подключаться к системе парового распределительного коллектора, как показано на Рисунке 3.22.6.

Пар впрыскивается в воду.

Важно помнить, что производительность инжектора уменьшается по мере роста давления в сосуде, так как перепад давления между впрыскиваемым паром и давлением в сосуде снижается.

При очень малых расходах пар будет стремиться выходить из инжекторов, расположенных ближе всего к подводящему паропроводу.

Конструкция подводящих труб и коллектора, а также расположение инжекторов должны обеспечивать равномерный впрыск пара по всей длине аккумулятора независимо от фактического расхода пара. Выход из инжекторов представляет собой очень горячую воду и пар, возможно с некоторыми конденсирующимися паровыми пузырями, на очень высокой скорости, что способствует турбулентности и перемешиванию воды. Инжекторы не должны направлять поток непосредственно на стенки сосуда или слишком близко к ним. Поэтому может быть целесообразна установка под углом. В идеале они должны быть ориентированы в разных направлениях для более равномерного распределения.

Пример типовой схемы показан на Рисунке 3.22.6.

В очень длинных сосудах более равномерного распределения можно добиться, используя два и более подводящих трубопровода. В таких случаях особенно важно тщательно объединить эти трубопроводы в общий коллектор от питающей магистрали.

Все инжекторы следует устанавливать как можно ниже в аккумуляторе, чтобы над ними был максимально возможный столб жидкости. Также может быть целесообразно установить их с небольшим углом, чтобы избежать эрозии сосуда. В таблицах производителей приводится значение Kvs паровых инжекторов (см. Таблицу 3.22.2). Используя данные Таблицы 3.22.2 и обращаясь к Рисунку 3.22.8, который является фрагментом графика подбора для насыщенного пара на Рисунке 3.22.9:

1. Проведите горизонтальную линию вправо от оси ‘x’ на уровне 11 bar a (10 bar g) до пересечения с линией критического перепада давления, точка (A).
2. От точки (A) проведите вертикальную линию вниз до пересечения со значением Kvs инжектора, точка (B), (например Kvs 5.8 для инжектора IM25M).
3. Проведите горизонтальную линию влево до пересечения с осью ‘y’, точка (C). Показанное значение и будет производительностью инжектора. (В данном примере примерно 760 kg/h.)

#Подбор размера и количества инжекторов

В приведённом выше примере производительность одного инжектора составляет 760 kg/h, но это относится только к началу периода зарядки, когда давление в сосуде минимально, а производительность инжектора максимальна.

Следует помнить, что по мере подачи всё большего количества пара в сосуд давление в нём растёт, что фактически снижает производительность инжекторов, пока в конечном счёте давление в сосуде не сравняется с котловым, и поток не прекратится.

Поэтому использовать единственный, максимальный расход 760 kg/h в данном примере непрактично.

Вместо этого необходимо определить среднюю скорость впрыска за весь период зарядки.

Это можно сделать, используя Уравнение 3.21.2 для расчёта расхода при разных давлениях в сосуде.

В этом примере давление в сосуде изменяется от 6 bar g до 10 bar g. Чем больше выбранных промежуточных значений, тем выше точность, однако, как правило, надёжное среднее значение получается, если брать шаги по 10% разницы между давлением котла и давлением в аккумуляторе. Таблица 3.22.3 показывает расчёты для инжектора IN25 (1") с Kv 5.8. Общий расход 6 076 kg/h делится на число записей. Необходимо помнить, что нулевое значение также учитывается, следовательно рассматривается одиннадцать значений. Видно, что средний расход 553 kg/h заметно ниже максимальной производительности 759 kg/h. Если бы для определения числа инжекторов использовалась максимальная производительность, выбранное количество оказалось бы недостаточным.

Необходимое число инжекторов можно определить, разделив общий расход пара на количество, которое способен подать один инжектор. Примечание: лучше использовать несколько меньших инжекторов, чем один большой, чтобы обеспечить надлежащее перемешивание внутри парового аккумулятора. Этот график подбора является эмпирическим и не должен использоваться для критически важных применений.

#Расчёт времени, необходимого для перезарядки сосуда

Из профилей нагрузки на Рисунке 3.22.4 было показано, что минимальное время между циклами зарядки составляет 95 минут. Теперь необходимо проверить, может ли сосуд быть перезаряжен быстрее этого времени.

Показано, что количество пара, использованного в период разрядки, составляет 2 650 kg.

Средний избыточный расход пара, доступный в период перезарядки, по Рисунку 3.22.4 составляет 2 916 kg/h.

Время, необходимое для перезарядки, пропорционально отношению массы пара, израсходованной в период разрядки, к расходу избыточного пара в непиковый период: Поскольку требуемое время перезарядки меньше минимального интервала между циклами перегрузки в 95 минут, соотношение времени перегрузки и времени перезарядки для данного аккумулятора является приемлемым.

Следовательно, для данного примера аккумулятор длиной 7 metres и диаметром 4 metres обеспечивает достаточную ёмкость.

#Манометр

Требуется манометр соответствующего диапазона для отображения давления внутри парового аккумулятора. В идеале на нём должны быть отмечены:

• минимальное давление (давление пара у потребителя);
• максимальное давление (давление пара котла);
• максимальное рабочее давление сосуда.

#Предохранительный клапан

Если максимальное рабочее давление аккумулятора равно или выше давления котла, предохранительный клапан(ы) может не потребоваться.

Однако пользователя могут беспокоить и менее очевидные сценарии. Например, в случае пожара на предприятии, если аккумулятор полностью заряжен и все входы и выходы закрыты, давление в нём может возрасти. Прежде чем принимать решение, необходимо обсудить ситуацию со страховым инспектором.

Как и для всех установок предохранительных клапанов, сброс должен направляться в безопасную зону через правильно рассчитанную и хорошо дренируемую сбросную линию.

#Воздушный вент и вакуумный клапан

При холодном пуске парового аккумулятора паровое пространство заполнено воздухом. Этот воздух не содержит теплоты, более того, он ухудшает работу паровой установки (как это демонстрирует закон Дальтона) и дополнительно экранирует поверхности теплообмена. Он также вызывает коррозию в системе конденсата.

Воздух можно удалять через простой краник, который обычно оставляют открытым, пока давление в аккумуляторе не поднимется примерно до 0.5 bar. Альтернативой является термостатический воздушный вент уравновешенного давления, который не только избавляет оператора котельной от необходимости вручную удалять воздух (и, следовательно, гарантирует, что это действительно будет сделано), но и надёжнее удаляет другие газы, накапливающиеся в сосуде при работе.

Когда паровой аккумулятор выводится из работы, пар в паровом пространстве конденсируется и создаёт вакуум. Этот вакуум приводит к внешнему давлению на сосуд и может вызвать подсос воздуха через ревизионные люки. Вакуумный клапан предотвращает такую ситуацию.

#Сливной кран

Этот клапан используется для опорожнения сосуда при обслуживании и инспекции. Для аккумулятора из Примера 3.22.2 подойдёт клапан DN40.

#Перелив

Необходимо установить поплавковый конденсатоотводчик с встроенным термостатическим воздушным вентом, как показано на Рисунке 3.22.10. При такой установке уровень воды внутри аккумулятора не поднимется выше этой точки, поскольку конденсатоотводчик будет работать как автоматический переливной клапан. Когда уровень воды снижается, то есть когда пар отбирается быстрее, чем восполняется, конденсатоотводчик автоматически закрывается, предотвращая утечку пара.

Использование поплавкового конденсатоотводчика со встроенной термостатической капсулой в качестве ограничителя уровня даёт дополнительное преимущество в виде отвода воздуха.

Конденсатоотводчик следует устанавливать рядом с водоуказательным стеклом. Отвод от него следует направлять обратно в питательный бак котла, стараясь не допускать чрезмерного противодавления или подъёма.

Размер поплавкового / термостатического конденсатоотводчика зависит от размера аккумулятора и для Примера 3.22.2 обычно составит DN32 или DN40.

#Указатель уровня воды

Изменение уровня воды в паровом аккумуляторе невелико, поскольку только около 5% массы воды превращается во вторичный пар, однако средство визуального контроля уровня необходимо. Очевидно, что прибор должен быть рассчитан на максимальное рабочее давление аккумулятора. Однако с точки зрения складских запасов и унификации оборудования есть смысл использовать такой же указатель, как и на котле.

Достаточно одного водоуказательного стекла.

#Редукционная станция

На линии отбора устанавливается редукционная станция. Когда редукционный клапан открывается для поддержания давления после себя, в паровом аккумуляторе происходит падение давления, вызывающее мгновенное испарение части воды в пар.

Редукционный клапан следует подбирать по следующим данным: P1 = давление аккумулятора (6 bar g в примере) P2 = давление у потребителя (5 bar g в примере) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Расход = максимальный расход при перегрузке (12 000 kg/h в примере)

Теперь можно выбрать подходящий клапан либо по таблицам производителя, либо с использованием графика подбора для насыщенного пара, показанного на Рисунке 3.22.9.

Для размеров до DN80 подойдёт пилотный самодействующий клапан, а для больших размеров — регулирующий клапан с пневмоприводом.

#Трубопроводы

На этом этапе целесообразно проверить, правильно ли выбран трубопровод между редукционной станцией парового аккумулятора и установкой. Этот трубопровод следует подбирать обычным образом по скорости пара 25–30 m/s, но используя пиковый расход от аккумулятора при давлении установки, в данном случае 5 bar g.

#Типовые схемы паровых аккумуляторов

На Рисунке 3.22.11 показана схема, в которой весь пар, вырабатываемый котельной установкой, проходит через паровой аккумулятор. Это более современное и в целом предпочтительное решение. Схема на Рисунке 3.22.12 чаще применялась в прошлом и до сих пор полезна, если паровой аккумулятор необходимо расположить на некотором расстоянии от паровой магистрали. Однако обратные клапаны нужно регулярно проверять, поскольку сочетание «залипания» и негерметичности клапанов может привести к тому, что пар будет подаваться в аккумулятор выше поверхности воды, что не приносит никакой пользы. На Рисунке 3.22.13 показана схема, в которой требуется как пар при давлении котла, так и пар при более низком давлении. Некоторые процессы не допускают низкого давления пара, и пар при давлении котла может требоваться постоянно (обычно, например, для процессов сушки). Если пиковая нагрузка создаётся потребителями высокого давления, клапан поддержания давления на Рисунке 3.22.13 почувствует падение давления и начнёт прикрываться к седлу, резервируя высокое давление для этих потребителей, а паровой аккумулятор в это время будет покрывать спрос на пар низкого давления. Таким образом система через паровой аккумулятор обслуживает переменную нагрузку низкого давления, а для высокой нагрузки обеспечивается максимально возможный расход благодаря действию клапана поддержания давления. На Рисунке 3.22.14 котёл работает при своём нормальном проектном давлении, например 10 bar, и подаёт пар к переменным нагрузкам, которым требуется не более, например, 5 bar. Редукционный клапан A снижает давление между котловым коллектором и распределительной магистралью установки, реагируя на давление в линии 5 bar.

Если расход пара превысит способность этой подачи от котла, и давление в магистрали низкого давления упадёт, например, ниже 4.8 bar, клапан B начнёт открываться и дополнять подачу. При этом он будет забирать пар из парового аккумулятора, и при длительной работе давление в аккумуляторе начнёт падать. Клапан B реагирует на давление в распределительной магистрали после себя и тем самым также работает как редукционный клапан. Его пропускная способность должна соответствовать допустимой скорости разрядки аккумулятора, и он будет меньше, чем редукционный клапан A.

Клапан C — это клапан поддержания давления, реагирующий на давление котла. Если из-за снижения спроса со стороны установки давление возрастает, клапан C открывается. Пар поступает в паровой аккумулятор, который перезаряжается до максимального давления, немного ниже давления котла. В это время редукционный клапан B будет закрыт, поскольку установка получает достаточное количество пара через (частично закрытый) редукционный клапан A.

#Практические соображения по паровым аккумуляторам

Байпасы

На любой установке инженерный руководитель должен стремиться обеспечить хотя бы минимальное обслуживание в случае, если паровой аккумулятор и связанное с ним оборудование требуют технического обслуживания или выходят из строя.

Это включает обеспечение достаточной и безопасной изоляции аккумулятора клапанами, а также, возможно, средства защиты котла от перегрузки, если больших колебаний спроса невозможно избежать. Наиболее очевидное решение здесь — резервный клапан поддержания давления.

#Заключение

Паровые аккумуляторы — это не устаревшие реликты прошлого. Напротив, они широко применяются в современной промышленности, включая биотехнологии, больничную и промышленную стерилизацию, стенды испытаний продукции, полиграфию и пищевое производство, а также более традиционные отрасли, такие как пивоварение и красильное производство.

Современные котлы стали меньше, и одновременно выросло применение небольших водотрубных котлов, змеевиковых котлов и кольцевых котлов, которые эффективны, но уменьшают тепловую ёмкость системы и делают её уязвимой к пиковым нагрузкам.

Существуют и многие другие области применения паровых аккумуляторов. При длительных пиках, которые котельная в конечном счёте всё равно должна покрывать, паровой аккумулятор можно использовать, например, для хранения пяти минут пикового расхода, давая котельной время безопасно выйти на требуемую мощность. Паровые аккумуляторы также можно использовать с электродными котлами или котлами с погружными электронагревателями, чтобы пар вырабатывался в непиковые периоды, запасался и использовался в часы пиковых нагрузок. Возможности здесь очень широки.

Итог таков: паровой аккумулятор — эффективный инструмент, который нередко обеспечивает наиболее экономичный способ подачи пара на периодический технологический процесс. Благодарность Spirax Sarco выражает признательность за помощь и предоставленную информацию: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG