Что такое пароохлаждение и кондиционирование пара?
Перегретый пар — это пар, нагретый выше температуры насыщения. В теплообменных процессах, на выходе турбин или в системах распределения технологического пара степень перегрева часто приходится снижать: пар, близкий к насыщению, эффективнее передает тепло в теплообменниках и защищает оборудование от чрезмерной температуры. Пароохладитель распыляет воду в пар в виде мелких капель; испаряясь, вода отбирает тепло у пара, и его температура снижается.
Клапан кондиционирования пара снижает и давление, и температуру пара в одном устройстве. Регулирование давления выполняется по замкнутому контуру обратной связи, а регулирование температуры в зависимости от задачи может быть построено по обратной связи или по возмущению. Типичные области применения таких клапанов — байпас турбины, технологический пар и редукционные станции пара.
В обоих случаях результат зависит не только от оборудования, но и от системы в целом: длины трубопроводов, места установки датчиков, давление и температура охлаждающей воды, дренажи, изоляция и прогрев должны проектироваться совместно. Неиспарившиеся капли могут выпадать на отводах трубопровода, ухудшать качество регулирования и вызывать термический удар в элементах трубопровода; поэтому правильная компоновка на этапе проектирования так же важна, как и выбор оборудования.
Как работает пароохладитель?
Пароохладитель использует теплоту парообразования впрыскиваемой воды для снижения температуры пара. Для быстрого и полного испарения необходимы правильное распыление и перемешивание.
1. Измерение температуры: Датчик температуры, установленный на достаточном расстоянии ниже по потоку, измеряет температуру перемешанного пара.
2. Регулирование охлаждающей воды: Регулятор задает открытие клапана охлаждающей воды в соответствии с уставкой; вода подается в пароохладитель под давлением выше давления в паропроводе.
3. Распыление: Вода вводится в виде мелких капель механическими форсунками, форсунками переменной геометрии, распыляющим паром высокого давления или через участок Вентури.
4. Испарение и перемешивание: Капли испаряются в потоке пара, и температура выравнивается. Ожидается, что около 80% впрыснутой воды испарится на первом прямом участке трубопровода.
Регулирование температуры по обратной связи
Замкнутое регулирование по обратной связи применяется, когда температуру можно измерять точно и стабильно. При очень сильном приближении температуры пара к насыщению из-за неравномерного температурного профиля по сечению потока в паре могут оставаться капли воды, что искажает измерение. Поэтому уставку рекомендуется держать не менее чем на 6 °C выше температуры насыщения.
Регулирование температуры по возмущению (упреждающее)
Регулирование по возмущению применяется, когда температуру нельзя измерить точно, требуется более быстрый отклик или переменные изменяются непропорционально. Алгоритм в PLC или DCS определяет требуемое количество воды по энтальпийному балансу, рассчитанному по давлению и температуре пара на входе и выходе и температуре охлаждающей воды; измеренный расход охлаждающей воды служит обратной связью.
Типы пароохладителей
Пароохладители различаются по способу распыления воды и по способу установки на трубопроводе.
· Механическое распыление с фиксированной геометрией: Простая конструкция с одной или несколькими фиксированными форсунками для почти постоянных нагрузок. Устанавливается через боковой фланец на трубопроводах от 6 in; максимальный Cv устройства 3,8.
· Механическое распыление с переменной геометрией: Конструкция, срабатывающая от противодавления, с одной, двумя или тремя форсунками для умеренных изменений нагрузки. Трубопроводы от 8 in; максимальный Cv устройства 15,0.
· Усиленный тип с переменной геометрией: Для таких задач, как промежуточное пароохлаждение в котле, с интенсивными термоциклами, высокой скоростью пара и вибрацией от потока; встроенный термозащитный вкладыш и крепление форсунок, оптимизированное против вибрации. Максимальный Cv устройства 15,0.
· Паровое распыление: Использует пар высокого давления для быстрого и полного распыления; для паропроводов с низкой скоростью пара и задач, требующих широкого диапазона регулирования. Максимальный Cv устройства 9,97.
· Тип с кольцом Вентури: Впрыскивает воду на выходе участка Вентури; устанавливается между двумя фланцами и не имеет подвижных частей. Подходит для пара с низкой скоростью и умеренными колебаниями нагрузки; максимальный Cv устройства 9,48.
· Клапан кондиционирования пара: Регулирующий клапан, объединяющий снижение давления и температуры в одном корпусе; для байпаса турбины и технологического пара.
Технические характеристики
Основные технические данные семейства пароохладителей:
Параметр | Технические данные |
Размер паропровода | DN25–DN1500 (1–60 in), в зависимости от типа |
Приближение к насыщению | До 6 °C от температуры насыщения |
Собственный диапазон регулирования | До 50:1 (зависит от располагаемого перепада давления воды) |
Давление охлаждающей воды | На 3,5–35 bar выше давления в паропроводе (зависит от диапазона нагрузок и оборудования) |
Распыляющий пар (тип с паровым распылением) | Давление не менее чем в 2,0 раза выше давления охлаждаемого пара; количество — 10% от максимального расхода охлаждающей воды |
Максимальный Cv устройства | Фиксированная геометрия 3,8; переменная геометрия 15,0; усиленный тип 15,0; паровое распыление 9,97; тип Вентури 9,48 |
Типы присоединения | Фланцы ASME RF, фланцы ASME RTJ, фланцы EN 1092-1 |
Классы давления | ASME CL150–CL1500 (до CL2500 для усиленного типа); PN 10–250 (PN 400 для усиленного типа) |
Материалы корпуса | Углеродистая сталь, хромомолибденовая легированная сталь (F22, F91), нержавеющая сталь серии 300 |
Материалы форсунок | Нержавеющая сталь 303 или 316; нержавеющая сталь 410; вариант N07718 для усиленного типа |
Установка | Ввод через боковой фланец (типы с форсунками) или кольцо между фланцами (тип Вентури) |
Нельзя превышать пределы по давлению и температуре и ограничения стандартов; тип выбирается по изменению нагрузки, скорости пара и параметрам воды.
Основные преимущества
· Точное регулирование температуры: Температуру пара можно приблизить к насыщению на расстояние до 6 °C.
· Широкий диапазон регулирования: Собственный диапазон регулирования до 50:1 позволяет отслеживать изменяющиеся нагрузки.
· Выбор типа под задачу: Различные способы распыления — от постоянной нагрузки до тяжелых режимов с интенсивными термоциклами.
· Защита оборудования: Предотвращает повреждение теплообменников и технологического оборудования чрезмерно перегретым паром.
· Широкий ряд размеров: Решения для паропроводов от 1 in до 60 in.
Области применения
Пароохладители и клапаны кондиционирования пара применяются в системах, где температуру или давление пара необходимо снижать контролируемо.
Электростанции
Промежуточное пароохлаждение в котле, системы байпаса турбины и кондиционирование пара при пуске.
Технологический пар
Регулирование температуры пара вблизи насыщения для теплообменников и технологического оборудования.
Редукционные станции пара
Регулирование температуры после редукционного клапана; впрыск воды достаточно близко к клапану, чтобы турбулентность ускоряла перемешивание.
Критерии проектирования и монтажа
Эффективность оборудования для кондиционирования пара следует рассматривать как характеристику системы — вместе с окружением на трубопроводе и условиями эксплуатации.
Прямые участки и расстояние до датчика
· Ориентировочная длина первого прямого участка после пароохладителя: 0,1 от максимальной скорости пара на выходе
· Расстояние до датчика температуры: 0,2 от скорости при расходе охлаждающей воды менее 15%, 0,3 — при большем
· Остаточный перегрев выше 11 °C сокращает требуемую длину
· Впрыск воды в пределах трех диаметров трубы от редукционного клапана позволяет турбулентности ускорить перемешивание
Охлаждающая вода
· Давление воды должно быть не менее чем на 150 psid выше давления пара на выходе; перепад 500–1000 psid улучшает работу
· Вода с температурой выше 93 °C ускоряет испарение; расход воды возрастает на 1–1,5% на каждые 28 °C повышения
· Расход воды свыше 15% от расхода пара замедляет испарение
· Перед форсунками рекомендуется сетчатый фильтр в диапазоне 40–100 mesh
Дренажи, изоляция и прогрев
· Дренажи на входе и выходе там, где возможны конденсация или неполное испарение; конденсатосборник в нижней точке после пароохладителя
· Полная изоляция клапана и клапана охлаждающей воды, включая поверхность крышки
· Прогрев, если разница между температурой острого пара и корпуса клапана превышает 100 °C
Шум и вибрация
· Избегать нескольких отводов непосредственно до и после клапана
· Шум выше 110 dBA может вызывать усталостное разрушение конструкций
· Для первого изменения направления использовать отвод большого радиуса вместо тройника
· Не использовать корпус клапана или привод как неподвижную опору; располагать привод вертикально
Стандарты
Присоединения и классы давления пароохладителей определяются следующими стандартами:
Стандарт / сертификат | Область и описание |
ASME B16.5 | Номинальные значения давления и температуры для фланцев ASME. |
EN 1092-1 | Номинальные значения давления и температуры для фланцев PN. |
Метод прогнозирования шума IEC | Определение потенциального уровня шума клапанов кондиционирования пара. |
Защита от превышения давления с помощью предохранительного клапана должна быть предусмотрена в соответствии с применимыми нормами и надлежащей инженерной практикой.
Паровые системы с TLY Enerji
Большинство проблем в проектах с пароохладителями вызвано не самим оборудованием, а проектированием системы: недостаточной длиной прямого участка, датчиком, который измеряет температуру до завершения испарения, низким давлением воды или отсутствием дренажей. Поэтому TLY Enerji рассматривает выбор пароохладителя совместно с компоновкой трубопроводов и стратегией регулирования.
Тип пароохладителя и расположение форсунок определяются по параметрам пара и воды; рассчитываются прямые участки и расстояния до датчиков, подбирается клапан регулирования охлаждающей воды и предлагается схема регулирования по обратной связи или по возмущению. Требования к изоляции, дренажам и прогреву вносятся в проектную документацию, а пусконаладка и поддержка на объекте планируются в соответствии с объемом проекта. Если в действующих системах наблюдаются колебания температуры или повреждения трубопроводов, компоновка и стратегия регулирования пересматриваются.
· Анализ паровой системы и стратегии регулирования
· Выбор типа пароохладителя и форсунок
· Расчет прямых участков и расстояний до датчиков
· Расчет клапана охлаждающей воды
· Координация пусконаладки
Часто задаваемые вопросы
Чем пароохладитель отличается от клапана кондиционирования пара?
Пароохладитель только впрыскивает воду в поток, чтобы снизить температуру пара; давление снижается отдельным клапаном. Клапан кондиционирования пара объединяет снижение давления и температуры в одном регулирующем элементе. Клапаны кондиционирования пара предпочтительны там, где одновременно требуется регулировать и давление, и температуру, например в байпасе турбины.
Насколько близко к насыщению можно довести температуру пара?
Пароохладители позволяют регулировать температуру пара с приближением к температуре насыщения до 6 °C. Однако при регулировании по обратной связи уставку рекомендуется держать не менее чем на 6 °C выше насыщения; иначе из-за разницы температур по сечению потока в паре могут оставаться капли воды, и измерение температуры станет недостоверным.
Какой тип пароохладителя выбрать?
Выбор зависит от изменений нагрузки, скорости пара и параметров воды. Типы с фиксированными форсунками подходят для почти постоянных нагрузок, типы с переменной геометрией — для умеренных изменений нагрузки. Паровое распыление рассматривают при низкой скорости пара и необходимости широкого диапазона регулирования, а тип с кольцом Вентури — для линий с низкой скоростью, где не нужны подвижные части. Усиленный тип предпочтителен при интенсивных термоциклах.
Каким должно быть давление охлаждающей воды?
Давление воды на входе в клапан охлаждающей воды должно быть не менее чем на 150 psid выше давления пара на выходе. Меньший перепад может сузить диапазон регулирования и привести к неполному распылению капель. Перепад 500–1000 psid улучшает работу, однако при больших перепадах необходимо учитывать риск кавитации.
На каком расстоянии ниже по потоку устанавливать датчик температуры?
Датчик должен находиться там, где вода полностью испарилась и равномерно распределена по сечению трубы. Для оценки используют 0,2 от максимальной скорости на выходе, если расход охлаждающей воды меньше 15% от расхода пара, и 0,3 — если больше. Точное расстояние зависит от температуры воды, остаточного перегрева, количества воды и геометрии трубопровода.
Зачем нужны дренажи в системах с пароохладителями?
Конденсация во время простоя системы или неполное испарение приводят к скоплению свободной воды в линии. Вода до пароохладителя может повредить внутренние элементы клапана, а неиспарившаяся вода после него — трубопровод и приборы, а также нарушить измерение температуры. Поэтому рекомендуются дренажи до и после пароохладителя с конденсатосборником в нижней точке ниже по потоку.
