Паровые коллекторы и пароотборы

В этом материале рассматриваются схемы паровых коллекторов и другие проектные решения, необходимые для эффективного прогрева, хорошего качества пара и правильного распределения пара из котельной.

#Паровые коллекторы и пароотборы

Жаротрубные котлы выпускаются с производительностью до примерно 27000 kg/h пара. Когда требуется большая нагрузка, два или более котла подключают параллельно, и установка из четырёх и более котлов не является редкостью. Проектирование соединяющего их парового коллектора имеет крайне важное значение.

На Рисунке 3.8.1 показан распространённый способ подключения четырёх котлов — именно он часто становится источником проблем. Обратимся к Рисунку 3.8.1. Когда все котлы работают при одинаковом давлении, давление в точке A должно быть ниже, чем в точке B, чтобы пар мог течь из точки B к потребителю. Следовательно, падение давления между котлом №4 и точкой A должно быть больше, чем между котлом №3 и точкой B, причём разница между этими двумя потерями давления возникает на участке между A и B.

Поскольку расход зависит от перепада давления, из этого следует, что котёл №4 будет отдавать в общий коллектор больше пара, чем котёл №3. Аналогично, котёл №3 будет отдавать больше, чем №2, и так далее. В результате, если котёл №1 нагружен полностью, остальные котлы оказываются перегруженными всё сильнее по мере приближения к конечному пароотбору.

Можно показать, что обычно при полной нагрузке котла №1 котёл №2 будет перегружен примерно на 1%, котёл №3 — примерно на 6%, а котёл №4 — примерно на 15%. Хотя жаротрубные котлы способны переносить кратковременную перегрузку около 5%, перегрузка 15% нежелательна.

Повышенная скорость выхода пара из котла создаёт чрезвычайно нестабильную поверхность воды, и система контроля уровня может не справиться.

При высоких нагрузках в этом примере котёл №4 перейдёт в lock-out, после чего и без того неустойчивая система переложит нагрузку на оставшиеся три котла, которые вскоре тоже перейдут в lock-out.

Главный вывод состоит в том, что такая конструкция распределительного коллектора не позволяет котлам делить нагрузку поровну.

Следует стремиться к тому, чтобы падения давления между выходом каждого котла и отбором коллектора к потребителю отличались не более чем на 0.1 bar. Это минимизирует унос воды и помогает предотвратить перегрузку котлов и их блокировку.

Схема на Рисунке 3.8.2 показывает улучшенную конструкцию нового коллектора. Коллектор выполнен с отбором из центра, а не с конца. При таком решении ни один котёл не будет перегружаться из-за коллектора более чем на 1%, при условии правильного подбора диаметров трубопроводов.

Ещё более удачная схема для установки из четырёх и более котлов показана на Рисунке 3.8.3. Она напоминает семейное дерево и равномерно распределяет нагрузку между котлами. Такая схема рекомендуется для сильно нагруженных котлов с последовательным управлением, когда один или несколько котлов регулярно выводятся из работы.

Следует подчеркнуть, что правильная конструкция коллектора избавляет от множества проблем и затрат в дальнейшем. Грамотно спроектированный коллектор в многокотельных установках всегда обеспечивает хорошо сбалансированную работу.

#Пароотборы

После рассмотрения общей схемы парового коллектора необходимо обеспечить следующие условия:

• в установку должен поступать сухой пар;
• операция прогрева должна быть правильно организована;
• пар должен распределяться по установке надлежащим образом;
• один котёл не должен иметь возможности случайно подать давление на другой.

#Унос воды

Когда хорошо спроектированный котёл вырабатывает пар при стабильной нагрузке, степень сухости пара будет высокой — примерно 96–99%. Изменения нагрузки, происходящие быстрее, чем котёл способен отреагировать, отрицательно влияют на степень сухости. Плохой контроль TDS котловой воды или загрязнение питательной воды приводят к выходу из котла влажного пара.

С этим связан ряд проблем:

• капли воды в паропроводах будут вызывать эрозию внутренней поверхности трубы, а также других элементов и клапанов, особенно при высоких скоростях;
• наличие воды в паровой системе создаёт опасность гидроудара;
• вода в паре не содержит энтальпии испарения, на использование которой рассчитано оборудование, поэтому её транспортировка к потребителю неэффективна;
• вода, уносимая с паром из котла, неизбежно содержит растворённые и взвешенные вещества, которые могут загрязнять органы управления, поверхности теплопередачи, конденсатоотводчики и сам продукт.

По этим причинам рекомендуется устанавливать сепаратор рядом с котлом. Сепараторы работают за счёт резкого изменения направления потока пара. В результате значительно более плотные частицы воды отделяются от пара благодаря своей инерции, после чего под действием силы тяжести опускаются к нижней части корпуса сепаратора, где собираются и удаляются через конденсатоотводчик.

#Прогрев

Крайне важно, чтобы ввод котла в работу происходил медленно, безопасно и управляемо, чтобы избежать:

• Гидроудара — когда большие количества конденсата находятся внутри трубопровода, а затем уносятся паром с высокой скоростью. Это может привести к повреждениям при ударе воды о препятствие в трубопроводе, например о регулирующий клапан.
• Термического удара — когда трубопровод нагревается настолько быстро, что его расширение становится неуправляемым, создавая напряжения и большие перемещения на опорах.
• Priming — когда резкое снижение давления пара из-за внезапно приложенной большой нагрузки может привести к втягиванию котловой воды в трубопровод. Это не только плохо для работы установки, но и часто вызывает переход котла в режим lock-out, после чего на восстановление рабочего состояния требуется время. Выброшенная вода также может вызвать гидроудар в трубопроводе.

Длительность прогрева для каждой установки будет различной и зависит от множества факторов. Например, небольшой котёл низкого давления в компактной установке, такой как прачечная, может быть выведен на рабочее давление менее чем за 15 минут. Большой промышленный комплекс может прогреваться много часов. Отправной точкой при безопасном вводе небольшого котла в работу является главный запорный клапан, который следует открывать медленно.

На крупных установках, однако, скорость прогрева трудно контролировать только главным запорным клапаном. Причина в том, что этот клапан предназначен для надёжного отсечения: у него плоское седло, поэтому всё усилие от маховика передаётся непосредственно на седло, обеспечивая хорошую герметичность под давлением. Это также означает, что клапан не имеет регулирующей характеристики и пропускает примерно 80% своей пропускной способности в первые 10% хода.

Поэтому хорошей практикой считается установка регулирующего клапана после главного запорного клапана. У регулирующего клапана профилированный затвор, благодаря чему связь между увеличением расхода и ходом затвора гораздо менее резкая. Следовательно, расход, а значит и скорость прогрева, контролируются лучше.

Пример регулирующего клапана, установленного после главного запорного клапана котла, показан на Рисунке 3.8.4.

Типовая схема прогрева может предусматривать, что регулирующий клапан закрыт до момента, когда котёл потребуется включить.

В этот момент импульсный таймер медленно открывает регулирующий клапан в течение заранее заданного времени. Преимущество такой схемы также в том, что в период прогрева котла не требуется участие персонала (если только котёл не запускается из холодного состояния), что особенно удобно в сумеречные часы. Тема ввода котлов в работу рассматривается в рекомендациях HSE в Великобритании.

На крупных распределительных системах даже регулирующий клапан линейного размера часто оказывается слишком «грубым», чтобы обеспечить действительно медленный прогрев. В таких случаях можно использовать малый регулирующий клапан на обводной линии вокруг запорного клапана. Это также даёт преимущество: если для изоляции применяются параллельные шиберные клапаны, давление можно выровнять по обе стороны клапана до его открытия. Это облегчает открытие и уменьшает износ.

Предотвращение подачи давления одним котлом на другой

Согласно BS 2790, Section 8.8.3.

Если два или более котла подключены к общему коллектору, помимо главного запорного клапана котла в паровом присоединении должен быть установлен второй клапан, способный фиксироваться в закрытом положении. Это обеспечивает лучшую защиту выведенного из эксплуатации котла при его изоляции от распределительного коллектора.

Если в паровом присоединении не установлен отдельный обратный клапан, один из двух запорных клапанов должен иметь встроенную функцию non-return.

Цель этого раздела британского стандарта — обеспечить безопасные условия работы, когда котёл остановлен для ремонта или осмотра.

Простые лепестковые обратные клапаны для этой цели не подходят, поскольку небольшие изменения давления в котлах могут вызывать их колебания, поочерёдно перегружая то один, то другой котёл. В тяжёлых условиях это может вызвать циклическую перегрузку котлов.

Многие случаи нестабильной работы двухкотельных установок вызваны именно этим. Главные запорные клапаны со встроенным обратным клапаном меньше подвержены такому явлению. В качестве альтернативы пружинные дисковые обратные клапаны обеспечивают демпфирование, которое уменьшает проблемы, вызванные колебаниями (Рисунок 3.8.5).

BS 2790 требует, чтобы в этой линии вместе с главным запорным клапаном был установлен обратный клапан, либо чтобы главный запорный клапан имел встроенный обратный клапан.

#Нормы, относящиеся к котлам (Великобритания)

Statutory instrument 1989 No. 2169 (The pressure systems and transportable gas containers regulations 1989) вместе с сопутствующим руководством и утверждённым кодексом практики. Обеспечение правильного распределения пара

Отправной точкой распределительной системы является котельная, где часто удобно свести паровые линии котлов в один паровой коллектор, обычно называемый главным распределительным коллектором. Размер коллектора зависит от количества и размеров котлов, а также от конструкции распределительной системы. На крупном предприятии наиболее практичным подходом обычно является распределение пара по площадке через магистраль высокого давления.

Распределение при высоком давлении обычно предпочтительно, поскольку позволяет уменьшить диаметры труб при той же пропускной способности и скоростях. Теплопотери также могут быть ниже из-за меньших общих диаметров трубопроводов. Это позволяет отбирать пар из магистрали либо напрямую к потребителям высокого давления, либо через редукционные станции, подающие пар местным потребителям при пониженном давлении. Паровой коллектор в котельной является удобной централизованной отправной точкой.

Он обеспечивает дополнительную функцию сепарации, если сепаратор котла перегружен, а также позволяет подключённым котлам делить нагрузку распределительной системы. Рабочее давление

Коллектор должен быть рассчитан на рабочее давление котла и соответствовать требованиям Pressure Systems Regulations. Важно помнить, что стандарты фланцев зависят от температуры и давления, а допустимое давление снижается при росте рабочей температуры.

Например, класс PN16 соответствует 16 bar при 120 °C, но пригоден только до 13.8 bar насыщенного пара (198°C).

Диаметр

Диаметр коллектора следует рассчитывать исходя из максимальной скорости пара 15 m/s при полной нагрузке. Низкая скорость важна, так как помогает увлекаемой влаге оседать.

Пароотборы

Их всегда следует выполнять из верхней части распределительного коллектора.

Сила тяжести и низкая скорость обеспечат стекание конденсата вниз и его удаление из нижней части коллектора. Это гарантирует, что в установку будет поступать только сухой пар.

Отвод конденсата

Важно удалять конденсат из коллектора сразу после его образования. Поэтому лучшим выбором является механический конденсатоотводчик, например поплавковый. Если коллектор является первой точкой отвода конденсата после отборов от котлов, конденсат может содержать частицы уноса, и в таком случае полезно отводить этот конденсатоотводчик не в питательный бак котла, а в сосуд продувки котла.

См. также:

1. The Steam and Condensate Loop, Block 11, 'Steam Trapping'

2. The Steam and Condensate Loop, Block 10, 'Steam Distribution'