Скорость научно-технического прогресса напрямую влияет на нашу жизнь в долгосрочной перспективе. Скорость принятия решений важна при выполнении задач повседневной деятельности. Но говорим мы про пароконденсатные системы, где одной из ключевых характеристик является скорость пара.
При выборе диаметра паропровода важным критерием является скорость пара. Именно на нее ориентируются при расчете диаметра в первую очередь. Согласно действующим нормам и правилам, величина скорости пара регламентируется в следующих пределах:
«Диаметры трубопроводов пара следует принимать исходя из максимальных часовых расчетных расходов теплоносителя и допускаемых потерь давления. При этом скорости теплоносителя должны быть не более: для перегретого пара при диаметре труб, мм:
• до 200-40 м/с;
• свыше 200-70 м/с; для насыщенного пара при диаметре труб, мм:
• до 200-30 м/с;
• свыше 200-60 м/с».
На эти цифры и следует ориентироваться при расчете скорости. Но это вовсе не означает что во всех случаях необходимо придерживаться скорости, максимально приближенной к указанным ограничениям. Кроме скорости пара, есть еще критерий потерь давления на длине участка рассматриваемого трубопровода. Если выбранный диаметр подходит по скорости, но не подходит по потерям давления, то следует выбрать трубу большего диаметра. Скоростью в данном случае можно пренебречь в пользу приемлемых потерь давления. Обычно фактор потерь давления выходит на первый план при расчете протяженных паропроводов.
Чем чревата слишком высокая скорость? Повышенным износом трубы, вибрацией и шумом. Паропровод, который шумит, как реактивный двигатель, и вибрирует, как мотор, – это опасный паропровод. Пар имеет более высокую плотность, чем, например, сжатый воздух и другие газы. Поэтому высокая скорость вызывает более интенсивный износ труб. Во влажном насыщенном паре присутствует конденсат в виде капельной влаги.
Мелкие капли летят в потоке пара. Влага может работать как абразив на высоких скоростях, что лишь увеличивает риски износа. Уязвимыми участками являются отводы, тройники, переходы, а также седла запорной и регулирующей арматуры (рис. 1). На элементах трубопроводов появляются свищи (рис. 2). При слишком высокой скорости пара улавливающие карманы с конденсатоотводчиками для дренажа конденсата не будут работать в полной мере. Это существенно повышает риски гидроударов. Гидроудар, пожалуй, самое страшное, что может случиться с паропроводом.
Существует мнение, что в любом случае скорость пара не должна превышать 30 м/с. Даже на паропроводах большого диаметра. В пользу этого приводятся популярные таблицы скоростей пара из популярных учебников иностранных производителей трубопроводной арматуры. Они содержат большое количество полезной информации.
Но, как и всегда, следует включать голову и не доверять слепо всему, что написано, даже в таких учебниках, без оглядки на реальность. Разумеется, не будет прямой ошибкой пользоваться рекомендацией соблюдать скорость 30 м/с всегда. Однако такой подход может оказаться в ряде случаев очень нерациональным. И вот почему.
Например, необходимо рассчитать диаметр паропровода длиной 100 метров для транспортировки 38 т/ч насыщенного пара с давлением 6 бар изб. Первоначально принимаем рекомендацию не выходить за пределы 30 м/с. Воспользовавшись специализированным калькулятором, получаем диаметр Ду400 (рис. 3). Расчетные потери давления незначительные, скорость списывается в ограничение 30 м/с.
Строительство крупного паропровода – это весьма дорогостоящее мероприятие, которое по стоимости может в несколько раз превышать аналогичные работы для паропровода меньшего диаметра. Земляные работы для строительства опор, сами опоры, монтаж, окраска, нанесение теплоизоляции и пр. Проверим, какой же диаметр получится для скорости 60 м/с. Оказалось, Ду250 (рис. 4). Потери давления при этом составили 0,29 бар. Глядя на эту цифру, трудно сказать, велика она или мала. Требуется больше информации об объекте.
Самое время обратиться к параметрам технологического процесса, для которого предназначен этот пар. Может оказаться, что на потребителе присутствует один или несколько редукционных клапанов, которые и так снижают давление перед потребителями. Это дает понимание, что потери 0,28 бар вовсе не являются критичными. Далее может оказаться, что расход 38 т/ч – это пиковый расход в самое холодное время в году. Понимаем, что такие периоды обычно длятся несколько дней или недель, и очевидно, что опасаться эрозии не стоит. Она просто не успеет проявить себя на такой короткий период. Запорная арматура Ду400 стоит в несколько раз дороже арматуры Ду250 как в закупке, так и в обслуживании. В данном случае не будет никаких проблем применить паропровод Ду250. Юридически и технически ошибки не будет. Экономика строительства и последующей эксплуатации только выиграет.
Другая ситуация, если технологический процесс работает именно на давлении 6 бар и никаких редукционных клапанов перед потребителями не предусмотрено. А также если расход пара 38 т/ч является номинальным расходом с минимальными отклонениями. В таком случае очевидно, что скорость пара 54 м/с будет слишком высокой. В данном случае следует применить паропровод большего диаметра, чем Ду250.
Как мы видим, разница между Ду250 и Ду400 слишком высока, чтобы ее игнорировать. Конечно, если бы шла речь о сравнении Ду15 и Ду25, сомнений и раздумий было бы меньше. Как, впрочем, и цена ошибки тоже была бы незначительной величиной.
Как мы упомянули выше, одного учета скорости пара недостаточно, особенно если мы рассчитываем паропроводы, более протяженные, чем несколько метров или десятков метров. Не менее важным параметром является критерий потерь давления, упомянутый выше.
Рассмотрим задачу более детально. На рис. 3 и 4 последняя строка называется «эквивалентная длина прямого участка трубы». Смысл этого понятия в том, что обычно фактически паропровод является прямым только на участках до нескольких десятков метров. Участки могут быть и длиннее, если для компенсации температурных расширений применены сильфонные компенсаторы. На практике их не часто встретишь. Чаще компенсацию расширений выполняют при помощи П-образных форм. Один П-образный компенсатор состоит из четырех поворотов трубы.
Прокладка любых трубопроводов так же редко имеет лишь прямое направление. Конечно, могут быть повороты в разные стороны и под разными углами. Чаще всего это прямые или тупые углы. Это добавляет количество отводов. Необходимо учитывать количество отводов. Если на паропроводе имеются отводы, эквивалентная длина паропровода вырастет. По сути, эквивалентная длина – это длина прямого участка, на котором создаются такие же потери давления, что на паропроводе непрямой формы с установленной запорной арматурой. Это понятийный термин.
Препятствиями являются не только упомянутые отводы. Запорная арматура и обратные клапаны, разумеется, тоже создают дополнительные потери давления. Наибольшие потери создают клапаны с изменяемым направлением (искривлением) потока, например седельные вентили. Полнопроходная арматура, такая как шаровые краны или задвижки, почти не дает потерь.
Предположим, что на нашем паропроводе Ду250 установлена запорная арматура в начале и конце 100-метрового участка, один обратный клапан и один П-образный компенсатор с четырьмя отводами 90 градусов в своем составе (рис. 5). Результат расчета изменился (рис. 6). Потери давления возросли в несколько раз.
Эквивалентная длина прямого участка составила чуть более 400 м при фактической длине трубы 100 м. Вывод очевидный. При расчете протяженных участков паропровода необходимо учитывать все элементы, влияющие на поток, которые на нем расположены. Это как навесное оборудование, так и элементы трубопроводов. В противном случае расчет может оказаться очень далек от реальности.
Какие потери давления являются большими, какие малыми? Следует ориентироваться на параметры пара, которые должен получить потребитель на хвосте паропровода, и на требования к технологическому процессу. Колебания давления пара на источнике могут учитываться и приниматься потребителем, даже если речь идет о колебаниях ±1 бар. Однако есть технологические процессы с высокими требованиями, и каждая десятая доля давления на счету. Тут все зависит от реальных требований к конкретной паровой системе.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №4 (73)
