Развитие и совершенствование конструкций конденсатоотводчиков, как и других типов трубопроводной арматуры, обусловлены в первую очередь потребностью в такой эволюции.
Принципиальная потребность в конденсатоотводчиках возникла в период бурного промышленного роста в начале ХХ в. В то же время происходило развитие нефтехимической отрасли, потребляющей, как известно, значительное количество энергоресурсов в виде пара на различных стадиях переработки и транспортировки нефти и нефтепродуктов. В то время была необходимость в простом и надежном конденсатоотводчике, который бы хорошо подходил в первую очередь для процессов теплообмена. Нужен был более или менее универсальный конденсатоотводчик, который бы мог предотвращать потери пролетного пара, а они могут достигать 10… 40 % от расхода пара. Стоимость энергоресурсов в те времена еще не была высокой, и один лишь факт устойчивой работы конденсатоотводчика и предотвращения им большей части потерь вполне оправдывал назначение такого конденсатоотводчика. Одним из таких пионеров стал механический конденсатоотводчик с перевернутым стаканом, получивший очень широкое распространение прежде всего в США во многом благодаря запатентованной американской компанией по производству конденсатоотводчиков в начале ХХ века конструкции. Крупные предприятия, особенно в нефтехимии, имеют потребность в большом количестве конденсатоотводчиков. Поскольку большинство заводов данной отрасли принадлежат, подконтрольны американским корпорациям или зависимы от них в части технологий, то логичным остается нацеленность американских производителей конденсатоотводчиков на эту отрасль и по сей день. Итак, главная задача была выполнена — конденсатоотводчик с перевернутым стаканом снял головную боль в виде потерь пролетного пара, и этого было достаточно. Невысокая эффективность и ряд недостатков окупались простым и выгодным для производителя способом — полной заменой парка конденсатоотводчиков уже через несколько лет. Такой подход можно заметить и сегодня, когда некоторым производителям конденсатоотводчиков интересен фактически только один рынок нефтепереработки, где можно за один раз заменить тысячу-две конденсатоотводчиков по принципу «старые на новые» или «все и сразу». Но оставим в стороне конъюнктурные моменты и обратим внимание на техническую сторону.
Требования к конденсатоотводчикам с тех времен изменились. Одной простоты и относительной надежности уже недостаточно. Цены на энергоносители растут, и конденсатоотводчик, как важнейший элемент, от которого зависит энергосбережение, должен обеспечивать высокие показатели сразу по нескольким критериям, в том числе быстрый выход на рабочий режим, полное недопущение пролетного пара, устойчивость к гидроударам, ремонтопригодность, удобство и скорость, а значит и стоимость ремонта и обслуживания и пр.
Таким образом, были разработаны и стали производиться другие разновидности механических конденсатоотводчиков, которые избавлены от недостатков классического конденсатоотводчика с перевернутым стаканом. Речь идет о поплавковых конденсатоотводчиках с рычажным механизмом и не только о них. Ниже приведем основные моменты, связанные с развитием механических конденсатоотводчиков в части конструктивного исполнения и повышения общей эффективности и надежности.
На рисунке 1 изображена конструкция традиционного конденсатоотводчика с перевернутым стаканом. Несмотря на замысловатую конструкцию механизма, принцип его действия достаточно прост. Конденсат поступает под поплавок в виде перевернутого стакана и заполняет объем конденсатоотводчика. Стакан в это время опущен, и конденсат выходит через клапан, расположенный сверху и соединенный специальным механизмом с поплавком. При поступлении пара под стакан в стакане создается подъемная сила, поплавок поднимается, а клапан в свою очередь закрывается. Далее пар в стакане конденсируется, стакан опускается, и конденсат выходит через клапан вновь. Основными достоинствами конденсатоотводчика являются верхнее расположение выпускного отверстия, открытый поплавок и нормально открытый клапан. Как и все механические конденсатоотводчики, данный прибор отводит конденсат с температурой насыщения, не задерживая конденсат перед собой, даже несмотря на цикличную работу. К недостаткам следует отнести ограниченную способность отводить воздух и неконденсируемые газы, поскольку у конденсатоотводчика отсутствует воздухоотводчик, а вместо него в верхней части стакана есть вентиляционное отверстие, через которое отводится воздух и неконденсируемые газы. Отверстие имеет фиксированный диаметр. Чем больше диаметр отверстия, тем больше воздуха может через него проходить. Но если проходит воздух, то проходит и пар и тем больше конденсатоотводчик его пропускает. Если отверстие слишком малое, то конденсатоотводчик будет блокироваться воздухом на длительное время до тех пор, пока он весь не выйдет из-под стакана. Поскольку количество воздуха — величина переменная, то конденсатоотводчик склонен задерживать отвод конденсата на пусковых режимах, когда его много больше, чем в рабочем режиме, и пропускать пар через вентиляционное отверстие при отсутствии воздуха. Второй проблемой является необходимость постоянного присутствия гидрозатвора. Без гидрозатвора конденсатоотводчик остается открытым, т. к. поплавок теряет плавучесть. Потеря гидрозатвора характерна при резком падении давления в конденсатоотводчике, при работе на перегретом паре или из-за утечки. Как и все прочие конденсатоотводчики с рычажным механизмом, конструкция конденсатоотводчика с перевернутым стаканом подвержена поломкам из-за постоянного трения. Подвижные части притираются друг к другу и постепенно протираются полностью. В случае гидроудара в паровой системе всю нагрузку удара принимает на себя поплавок. Т. к. поплавок соединен с клапаном рычажным механизмом, при мощном гидроударе механизм также подвержен серьезному механическому воздействию, которое может за несколько раз вывести конденсатоотводчик из строя (см. рисунок 2).
Конструкция классического конденсатоотводчика с перевернутым стаканом не менялась десятки лет. В 70-е гг. ХХ в. один из недостатков, присущих привычной конструкции конденсатоотводчика с перевернутым стаканом, был устранен японским производителем конденсатоотводчиков — компанией TLV (Trouble Less Valves — «клапаны, не имеющие проблем»). Речь идет об исключении из конструкции всего рычажного механизма. Японский конденсатоотводчик стал называться конденсатоотводчиком со свободноплавающим перевернутым стаканом. На рисунке 3 изображен этот по-своему уникальный прибор. Поплавок не имеет никаких рычагов, золотников и прочих креплений, что делает его гораздо более устойчивым к проблемам механического износа. Клапаном является сам поплавок, который своей поверхностью управляет открытием выпускного отверстия.
Производство конденсатоотводчиков со свободноплавающим перевернутым стаканом было нацелено прежде всего на американский рынок, где традиционно присутствуют американские производители классических конденсатоотводчиков с перевернутым стаканом. На сегодняшний день производство данных приборов свернуто в пользу более совершенных конденсатоотводчиков.
В настоящее время при непрерывном росте цен на топливо потребители пара считают буквально каждую копейку в виде пролетного пара, а также средств, затрачиваемых на монтаж, ремонт и обслуживание конденсатоотводчиков. Современные условия диктуют иные правила, и всякого рода полумеры в виде установки просто какого-нибудь конденсатоотводчика уже не работают, они недостаточно эффективны. В таких случаях выбор определяется целым рядом критериев, таких как пропуск пролетного пара, скорость выхода на рабочий режим, т. е. способность отводить воздух, время безаварийной работы, скорость ремонта и стоимость обслуживания, количество запасных частей и пр.
Одним из самых совершенных устройств на сегодняшний день является конденсатоотводчик со свободноплавающим поплавком (см. рисунки 4, 5). По совокупности характеристик это явный чемпион среди современных конденсатоотводчиков. В нем отсутствует какой-либо рычажный механизм и единственной движущейся частью является герметичный поплавок в виде шара. Рычажного механизма нет, и в работе исключены трения и накопленный механический износ. Поплавок своим движением управляет клапаном, выпускающим конденсат. Воздух отводится отдельным воздухоотводчиком, который плавно отводит воздух и неконденсируемые газы по мере их поступления. От гидроударов конденсатоотводчик также защищен. Гидроудар принимает на себя не поплавок с клапаном, а входная камера, где гидроудар демпфируется и рассеивается. Как видно из конструкции, конденсатоотводчик со свободноплавающим поплавком имеет минимальное количество запасных частей. Ремонт и обслуживание могут производиться непосредственно по месту установки, без необходимости демонтажа с трубопровода.
Затраты на обслуживание данных приборов минимальны по сравнению с рычажными конструкциями механических конденсатоотводчиков. Существуют также модификации конденсатоотводчиков со свободноплавающим поплавком для применения на пароспутниках, вращающихся валах, турбинных применений и других специфических приложений.
Современная промышленность весьма разнообразна и требовательна к конденсатоотводчикам, рынок конденсатоотводчиков предлагает множество типов, моделей, модификаций и исполнений. Некоторые из них ориентированы на конкретные отрасли промышленности со своими особенностями применения и специальными требованиями. Универсальных конденсатоотводчиков не существует, и выбор конденсатоотводчика определяется совокупностью целого ряда технических условий, в том числе с учетом конкретных особенностей типа конденсатоотводчика и его характеристик. Понимание принципов работы конденсатоотводчиков и их особенностей, как и знание требований к конденсатоотводчикам, в полной мере гарантирует правильный выбор, избавляя пользователя от ошибок, влекущих к большим потерям тепловой энергии и средств, затраченных на ее производство.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 2 (44) 2018
