Паровые магистрали и дренаж

Вопросы, связанные с устройством, компоновкой и эксплуатацией системы распределения пара, включая точки отвода конденсата и ответвления, предотвращение гидроудара, а также применение сепараторов и грязевиков для подготовки пара.

Если вам нужен переход от теории к оборудованию, сопоставьте рекомендации этого модуля с термодинамическими конденсатоотводчиками, конденсатоотводчиками Spirax Sarco и сепараторами пара.

Введение в тему паровых магистралей и дренажа

По всей длине горячей паровой магистрали некоторое количество тепла передается в окружающую среду, и это зависит от параметров, рассмотренных в Block 2 - Steam Engineering and Heat Transfer и объединенных в Equation 2.5.1.

В паровых системах такие потери энергии означают неэффективность, поэтому трубопроводы изолируют, чтобы ограничить эти потери. Однако независимо от качества или толщины изоляции определенный уровень теплопотерь всегда будет существовать, и это вызовет конденсацию пара по всей длине магистрали.

Воздействие изоляции рассматривается в Module 10.5. В данном Module основное внимание уделяется удалению неизбежно образующегося конденсата, который, если его не отводить, будет накапливаться и вызывать такие проблемы, как коррозия, эрозия и гидроудар.

Кроме того, пар станет влажным, увлекая капли воды, что снижает его способность к теплопередаче. Если воде позволить накапливаться, эффективная площадь поперечного сечения трубы уменьшится, а скорость пара может превысить рекомендуемые пределы.

Компоновка трубопровода

Хорошей инженерной практикой считается, что по возможности магистраль следует прокладывать с уклоном не менее 1:100 (1 m падения на каждые 100 m длины) по направлению движения пара. Такой уклон обеспечивает, что сила тяжести вместе с потоком пара будет способствовать перемещению конденсата к точкам дренажа, где его можно безопасно и эффективно удалять (см. Figure 10.3.1).

Точки дренажа

Точка дренажа должна обеспечивать поступление конденсата к конденсатоотводчику. Поэтому проектированию и расположению точек дренажа необходимо уделять особое внимание.

Следует также учитывать конденсат, остающийся в паровой магистрали при остановке, когда поток пара прекращается. Под действием силы тяжести вода (конденсат) будет стекать по наклонному трубопроводу и собираться в низких точках системы. Поэтому в этих низких точках следует устанавливать конденсатоотводчики.

Количество конденсата, образующегося в крупной паровой магистрали при пуске, достаточно велико, чтобы предусматривать точки дренажа через каждые 30 - 50 m, а также в естественных низких точках, например у основания восходящих участков трубопровода.

В нормальном режиме пар может двигаться по магистрали со скоростью до 145 km/h, увлекая конденсат за собой. Figure 10.3.2 показывает дренажную трубу 15 mm, подключенную непосредственно к нижней части магистрали.

Хотя труба 15 mm имеет достаточную пропускную способность, маловероятно, что она сможет захватить значительную часть конденсата, движущегося по магистрали с высокой скоростью. Такая схема будет неэффективной.

Более надежное решение для удаления конденсата показано на Figure 10.3.3. Отвод к конденсатоотводчику должен располагаться не менее чем на 25 - 30 mm выше дна кармана для паровых магистралей до 100 mm и не менее чем на 50 mm для магистралей большего диаметра. Это оставляет пространство внизу для осаждения грязи и окалины.

Нижняя часть кармана может оснащаться съемным фланцем или продувочным клапаном для очистки.

Рекомендуемые размеры дренажного кармана показаны в Table 10.3.1 и на Figure 10.3.4.

Table 10.3.1 Рекомендуемые размеры дренажного кармана

Гидроудар и его последствия

Гидроудар - это шум, возникающий, когда порции конденсата на высокой скорости сталкиваются с арматурой трубопровода, оборудованием и установками. Это влечет за собой ряд последствий:

• Поскольку скорость конденсата выше нормальной, рассеяние кинетической энергии также выше, чем можно было бы ожидать.
• Вода плотная и несжимаемая, поэтому отсутствует амортизирующий эффект, который возникает, когда газы сталкиваются с препятствиями.
• Энергия воды рассеивается на препятствиях в трубопроводной системе, таких как клапаны и фитинги.

Признаками гидроудара являются стук и, возможно, перемещение трубопровода.

В тяжелых случаях гидроудар может разрушить оборудование трубопровода почти взрывным образом, что приведет к выбросу острого пара в месте разрыва и создаст крайне опасную ситуацию.

Гидроудара можно избежать за счет грамотного проектирования, монтажа и технического обслуживания; это намного лучше, чем пытаться сдерживать его только выбором материалов и классов давления оборудования.

Чаще всего источники гидроудара возникают в низких точках трубопровода (см. Figure 10.3.6). Такие участки появляются из-за:

• Провисания линии, возможно вследствие отказа опор.
• Неправильного использования концентрических переходов (см. Figure 10.3.7) - всегда следует использовать эксцентрические переходы с плоской стороной снизу.
• Неправильной установки грязевика - его корзина должна располагаться сбоку.
• Недостаточного дренажа паропроводов.
• Неправильной эксплуатации - слишком быстрого открытия клапанов при пуске, когда трубы еще холодные.

Подводя итог, вероятность гидроудара минимизируется за счет:

• Прокладки паропроводов с плавным уклоном по направлению потока и установки точек дренажа через равные интервалы и в низких точках.
• Установки обратных клапанов после всех конденсатоотводчиков, которые в противном случае позволили бы конденсату возвращаться в паропровод или оборудование при остановке.
• Медленного открытия запорных клапанов, чтобы конденсат, который может находиться в системе, успел мягко пройти через дренажные конденсатоотводчики до того, как его подхватит поток пара высокой скорости. Это особенно важно при пуске.

Ответвления обычно значительно короче паровых магистралей. Поэтому, как правило, если длина ответвления не превышает 10 metres и давление в магистрали достаточно, трубу можно подбирать исходя из скорости 25 - 40 m/s, не уделяя большого внимания перепаду давления.

В этом случае полезной будет Table 10.2.4 Пропускная способность трубопроводов насыщенного пара при различных скоростях из Module 10.2.

Подключение ответвлений

Ответвления, взятые с верхней части магистрали, подают самый сухой пар (Figure 10.3.8). Если подключение выполнено сбоку или, что еще хуже, снизу (как на Figure 10.3.9 (a)), в ответвление могут попадать конденсат и загрязнения из паровой магистрали. В результате к оборудованию поступает очень влажный и грязный пар, что ухудшает работу как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Клапан на Figure 10.3.9 (b) следует размещать как можно ближе к месту отбора, чтобы минимизировать скопление конденсата в ответвлении, если установка может простаивать длительное время.

Нисходящий карман

Низкие точки возникают и в ответвлениях. Наиболее распространенный случай - нисходящий карман возле запорного клапана или регулирующего клапана (Figure 10.3.10). Конденсат может скапливаться перед закрытым клапаном, а затем быть выброшен вперед вместе с паром при повторном открытии клапана. Поэтому хорошей практикой является установка точки дренажа с узлом конденсатоотводчика непосредственно перед грязевиком и регулирующим клапаном.

Подъем рельефа и дренаж

Во многих случаях паровая магистраль должна проходить по участку с подъемом рельефа, либо профиль площадки делает непрактичным соблюдение ранее предложенного уклона 1:100. В таких ситуациях необходимо способствовать стеканию конденсата вниз по уклону и против направления потока пара. Хорошей практикой является подбор трубы при низкой скорости пара не более 15 m/s, укладка линии с уклоном не менее 1:40 и установка точек дренажа с интервалом не более 15 metres (см. Figure 10.3.11).

Цель состоит в том, чтобы не допустить увеличения толщины пленки конденсата на дне трубы до такой степени, при которой капли могут быть подхвачены потоком пара.

Сепараторы пара

Современные комплектные паровые котлы обладают большой испарительной производительностью для своих размеров и ограниченной способностью справляться с быстро меняющейся нагрузкой. Кроме того, как обсуждалось в Block 3 The Boiler House, другие обстоятельства, такие как …

• Неправильная химическая обработка питательной воды и/или контроль TDS
• Кратковременные пиковые нагрузки в других частях установки … могут вызывать вспенивание и унос котловой воды в паровые магистрали.

Для удаления этой воды могут устанавливаться сепараторы, как показано на разрезе Figure 10.3.12.

Как правило, если скорости в трубопроводе находятся в разумных пределах, сепараторы подбираются по размеру линии. (Сепараторы подробно рассматриваются в Module 12.5)

Сепаратор удаляет как капли воды со стенок трубы, так и взвешенный туман, уносимый самим паром. Установка сепаратора в паровой магистрали может устранить наличие и последствия гидроудара, и зачастую это обходится дешевле, чем увеличение диаметра трубы и изготовление дренажных карманов.

Сепаратор рекомендуется устанавливать перед регулирующими клапанами и расходомерами. Также разумно устанавливать сепаратор там, где паровая магистраль входит в здание снаружи. Это гарантирует удаление конденсата, образующегося во внешней распределительной системе, и поступление в здание всегда сухого пара. Это одинаково важно и там, где потребление пара в здании контролируется и тарифицируется.

Грязевики

При монтаже нового трубопровода внутрь трубы нередко случайно попадают частицы литейного песка, набивки, уплотнительных материалов, стружки, сварочные электроды и даже гайки с болтами. В старых трубопроводах присутствует ржавчина, а в районах с жесткой водой - карбонатные отложения. Иногда такие частицы отрываются и переносятся паром по трубопроводу, оседая внутри паропотребляющего оборудования. Например, это может помешать правильному открытию или закрытию клапана. Паропотребляющее оборудование также может получить необратимые повреждения из-за wiredrawing - режущего действия высокоскоростного пара и воды, проходящих через частично открытый клапан. После возникновения wiredrawing клапан уже никогда не будет обеспечивать плотное перекрытие, даже если загрязнение удалить.

Поэтому разумно устанавливать грязевик линейного размера перед каждым конденсатоотводчиком, расходомером, редукционным клапаном и регулирующим клапаном. На иллюстрации Figure 10.3.13 показан разрез типового грязевика.

Пар проходит от входа A через перфорированную сетку B к выходу C. Пар и вода свободно проходят через сетку, а загрязнения - нет. Крышку D можно снять, чтобы извлечь сетку и регулярно очищать ее. На крышке D также можно установить продувочный клапан для облегчения регулярной очистки.

Однако, как уже упоминалось, грязевики сами могут быть источником влажного пара. Чтобы избежать этого, в паровых линиях грязевики всегда следует устанавливать корзиной в сторону.

Грязевики и детали их сеток рассматриваются в Module 12.4.

Как дренировать паровые магистрали

Конденсатоотводчики являются наиболее эффективным и экономичным способом отвода конденсата из системы распределения пара.

Выбранные конденсатоотводчики должны соответствовать системе по следующим параметрам:

• Класс давления
• Производительность
• Пригодность Класс давления

С классом давления разобраться просто: максимальное возможное рабочее давление на конденсатоотводчике либо известно, либо должно быть определено.

Производительность

Производительность, то есть количество конденсата, которое требуется отводить, следует разделить на две категории: пусковая нагрузка и рабочая нагрузка.

Пусковая нагрузка

Прежде всего трубопровод необходимо прогреть до рабочей температуры. Это можно определить расчетом, зная массу и удельную теплоемкость трубопровода и фитингов. Альтернативно можно использовать Table 10.3.2.

• Таблица показывает количество конденсата, образующегося при прогреве 50 m паровой магистрали до рабочей температуры; 50 m - это максимальное рекомендуемое расстояние между точками установки конденсатоотводчиков.
• Приведенные значения указаны в килограммах. Чтобы определить среднюю скорость конденсации, необходимо учитывать время процесса. Например, если на прогрев требовалось 50 kg пара, а процесс должен занять 20 minutes, то средняя скорость конденсации составит:

• Используя эти значения для подбора конденсатоотводчика, стоит помнить, что начальное давление в магистрали при начале прогрева будет лишь немногим выше атмосферного. Однако нагрузка по конденсату обычно все равно находится в пределах пропускной способности low capacity конденсатоотводчика DN15. Только в редких случаях при очень высоких давлениях (свыше 70 bar g) в сочетании с большими диаметрами труб потребуется большая производительность конденсатоотводчика.

Рабочая нагрузка

После выхода паровой магистрали на рабочую температуру скорость конденсации в основном определяется размером трубы, а также качеством и толщиной изоляции.

Для точного расчета рабочих потерь паровых магистралей см. Module 2.12 Steam consumption of pipes and air heaters. В качестве альтернативы для быстрой оценки рабочей нагрузки можно использовать Table 10.3.3, которая показывает типичное количество пара, конденсирующегося за час на каждые 50 m изолированной паровой магистрали при различных давлениях.

Table 10.3.2 Количество пара, конденсирующегося при прогреве 50 m трубы Schedule 40 (kg) Примечание: значения основаны на температуре окружающей среды 20c и эффективности изоляции 80%

Table 10.3.3 Скорость конденсации пара в 50 m трубы Schedule 40 при рабочей температуре (kg/h) Примечание: значения основаны на температуре окружающей среды 20c и эффективности изоляции 80%

Пригодность

При выборе конденсатоотводчика для дренажа магистрали необходимо учитывать следующие ограничения:

• Температура сброса - Конденсатоотводчик должен отводить конденсат при температуре насыщения или очень близкой к ней, если только между точкой дренажа и конденсатоотводчиком не используются охлаждающие участки. Это означает, что выбор обычно ограничивается механическими конденсатоотводчиками (например, поплавковыми, с перевернутым стаканом или термодинамическими).
• Повреждение от мороза - Если паровая магистраль расположена вне здания и существует вероятность отрицательной температуры окружающей среды, идеальным вариантом является термодинамический конденсатоотводчик, так как он не повреждается морозом. Даже если из-за схемы монтажа вода остается в конденсатоотводчике при остановке и замерзает, после оттаивания термодинамический конденсатоотводчик можно снова ввести в работу без повреждений.
• Гидроудар - В прошлом, на плохо спроектированных установках, где гидроудар был частым явлением, поплавковые конденсатоотводчики не всегда были идеальны из-за чувствительности поплавка к повреждениям. Современные методы проектирования и производства позволяют получать очень прочные устройства для дренажа магистралей. Поплавковые конденсатоотводчики, безусловно, являются первым выбором для фирменных сепараторов, так как легко обеспечивают высокую производительность и быстро реагируют на резкое увеличение нагрузки. Конденсатоотводчики, используемые для отвода конденсата из паровых магистралей, показаны на Figure 10.3.14. Термостатический конденсатоотводчик включен потому, что он идеально подходит там, где нет другого выбора, кроме как сбрасывать конденсат в затопленный обратный трубопровод.

Тема отвода конденсата подробно рассматривается в Block 11, Конденсатоотводчики.

Утечки пара

Утечками пара из трубопроводов часто пренебрегают. Однако утечки могут быть дорогостоящими как с экономической, так и с экологической точки зрения, поэтому требуют оперативного внимания, чтобы паровая система работала с максимальной эффективностью и минимальным воздействием на окружающую среду.

Figure 10.3.15 показывает потери пара через отверстия разного размера при различных давлениях. Эти потери легко перевести в экономию топлива, исходя из годового времени работы.

Итоги

Правильная прокладка трубопроводов и организация дренажа означают соблюдение нескольких простых правил:

• Паропроводы следует прокладывать с уклоном по направлению потока не менее 100 mm на 10 metres трубы (1:100). Паропроводы, поднимающиеся по направлению потока, должны иметь уклон не менее 250 mm на 10 metres трубы (1:40).
• Паропроводы следует дренировать через регулярные интервалы 30 - 50 m и во всех низких точках системы.
• Там, где дренаж необходимо организовать на прямых участках трубы, для сбора конденсата следует использовать карман большого диаметра.
• Если устанавливаются грязевики, их следует монтировать на бок.
• Ответвления всегда следует брать с верхней части магистрали, откуда поступает самый сухой пар.
• Перед любым паропотребляющим оборудованием следует рассматривать установку сепараторов, чтобы использовать сухой пар.
• Выбранные конденсатоотводчики должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать гидроудар и мороз.