С. Цанюга, Е. Ефимов. Проблемы обратных клапанов и существующих решений гидравлических демпферов: экономика финансовых потерь на конкретных примерах

С. Цанюга, Е. Ефимов. Проблемы обратных клапанов и существующих решений гидравлических демпферов: экономик...

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО СУЩЕСТВУЮЩИМ ДЕМПФИРУЮЩИМ СИСТЕМАМ

Существует целый ряд различных решений для устранения или уменьшения гидравлического удара в трубопроводе на базе обратного клапана (затвора) с демпфером (-ами). В зависимости от конструктивного решения и механизма действия демпфера они называются амортизаторами (в данном контексте воздухонаполненными), собственно демпферами (в данном контексте имеется в виду, что исключительно гидравлическими) или тормозами/цилиндрами. Основным критерием выбора является, как правило, их цена, в то время как другие аспекты этого вопроса, такие как скорость демпфирования, эффективность гашения ударных нагрузок, потери потока и т. д., являются второстепенными или не рассматриваются вообще.

Рисунок 1
Рисунок 2

В зависимости от конструкции системы демпфирования и условий эксплуатации могут возникать значительные потери энергии, то есть фактически ― денег. Например, это зависит от силы тяжести диска, а также рычага и веса, используемых для обеспечения начальной скорости закрытия (иногда: усиления закрытия или гарантированного закрытия клапана, в зависимости от конструкции). Известно: одной из дилемм стандартных обратных клапанов является то, что, с одной стороны, клапан должен быстро закрыться, защитив оборудование, для чего как раз применяют рычаги с грузом (слева, справа или с обеих сторон), которые заранее просчитываются на заводе (плечо рычага и вес груза), исходя из характеристик потока (внимание: вместе с клапаном очень желательно получить графики моделирования работы демпферов ― то есть результаты тестирования, конкретно «под ваш случай»), а с другой стороны, желательно, чтобы клапан имел меньшие потери (по этой причине иметь рычаги с грузом уже не хотелось бы). В итоге же ежегодно эти потери (потока-энергии-денег инвестора-денег предприятий и домохозяйств) могут быть в несколько раз выше, чем стоимость обратного клапана и демпфера в целом (см. рисунки 1, 5, 6, и особенно обращаем внимание на рисунки 3 и 8 ― «экстремальные» потери).

Рисунок 3
Рисунок 4

Проблема возникает, когда есть реальная необходимость обеспечить начальную скорость закрытия (быстро инициировать закрытие, среагировав на отключение насосов), в этом случае пользователь часто увеличивает вес и длину рычага, которые вместе значительно повышают потери потока и не позволяют достигать достаточного демпфирования. Такие решения часто включают в себя модифицированный гидравлический цилиндр, редко пневматический и рычаг с грузом. Однако априори амортизаторы (пневмоцилиндры с пружинами), по техническому определению ― это решения, которые зачастую не обеспечивают достаточных характеристик демпфирования в начале процесса закрытия или на заключительном этапе и особенно неэффективны в случае ударов продолжительностью меньше, чем одна секунда (t<1 сек). То есть серьезные задачи для пневматической системы демпфирования лучше не ставить, она может быть использована в очень ограниченных условиях, но, вместе с тем, ее достоинство ― это низкая цена!

Рисунок 5
Рисунок 6

Важно знать, что недостаточно просто установить гидравлический или пневматический цилиндр, который возьмет на себя роль глушителя ударов и позволит предотвратить хлопок диска при закрытии.

Рисунок 7
Рисунок 8

Рисунок 9
При установке демпфера важно знать, что обратный клапан должен быть закрыт своевременно, потому что это единственный способ предотвратить мощный и высокоскоростной удар обратным потоком.

Таким образом, основной задачей системы демпфирования будет также предотвращение высокоскоростных ударов обратного потока ― повреждения ими насосов, клапанов, уплотнений и других элементов системы, с обеспечением комплексной защиты всего оборудования. Мы не должны забывать, что скачки давления, например, в воде, в стальном трубопроводе DN 100, передаются со скоростью V>1200 м/сек.

Рисунки с цифрами иллюстрируют различные конструкции гидравлических демпфирующих решений с более или менее выраженной начальной скоростью закрытия, слабым и медленным демпфированием ударов, что приводит к возникновению высоких пиковых давлений. Такое демпфирование обеспечивает слабую защиту насосов, клапанов, уплотнений и всей системы, потенциально неся угрозу безопасности.

Рисунок 10 ― Обратный клапан с амортизаторами и рычагами с грузом (неизвестный производитель, предположительно китайский)
Рисунок 10 ― Обратный клапан с амортизаторами и рычагами с грузом (неизвестный производитель, предположительно китайский)

Рисунок 11 ― Поврежденный обратным потоком насос (трубопровод Ду 2000)
Некоторые демпфирующие решения имеют проблемы, связанные со сборкой и стыковкой демпфера и клапана, которые изначально могут не подходить друг к другу. В результате сборки изделия могут иметь слабые места, одним из которых является место соединения демпфера с клапаном: ограничения по приему и демпфированию больших нагрузок ― гашению крутящих моментов, высокая нагрузка на изгиб вала, нагрузка на подшипники, возможность заклинивания. (Рисунки 4, 6, 8, 9).

В случаях интенсивных движений рычага с грузом необходимо позаботиться о защитном коробе-обрешетке по всей амплитуде движения выступающей части, так как рычаг с грузом может нести потенциальную угрозу жизни персонала. Защитный короб, в свою очередь, стоит также немалых денег, увеличивает внешние габариты арматуры, массу (см. далее рисунок 15).

ВЫВОД: Итак, использование различных гидравлических или пневматических решений для демпферов требует осторожности, поскольку они, как правило, имеют существенные ограничения по ряду параметров, критичных для системы ― скорость работы, возможность настройки характеристик демпфирования «по месту». Они могут защитить диск от хлопка, но не предотвращают возникновения частых пиковых давлений, которые могут привести к механическим повреждениям, протечкам уплотнений, уменьшая срок службы насосов, клапанов и других элементов, что в свою очередь приводит к снижению безопасности завода в целом и значительно увеличивает его расходы. Не говоря уже о потерях энергии, которые могут превышать цену клапана в несколько раз.

Экономика обратных клапанов

Рассмотрим проблематику потерь более подробно.

Значительные потери энергии происходят из-за конструктивного решения обратного клапана, когда сила тяжести диска Gд действует соответствующим образом с направлением на закрытие арматуры. Наряду с этим для максимально быстрого начала закрытия для улучшения защитной функции клапана ― надежности срабатывания, особенно в системах, подверженных интенсивным ударам обратного потока, добавляется вес Gг, значительно увеличивающий потери энергии, которые порой достигают тревожных значений (анализ приведен ниже).

Анализ потерь энергии на обратном клапане в результате расчетов с учетом диска, рычага (рычагов) с грузом
Прямые потери энергии от 3 до 12 %

Калькуляция затрат энергии и финансовые потери на конкретных примерах

ΔPg=(Δp Q)/(600 ηu) (kW)

ΔPg (kW) ― потеря мощности мотора (насоса)
Δp (mWS),(bar) ― потеря давления
Q (м³/ч) ― расход через обратный клапан
v (м/с) ― скорость потока, связанная с DN
ƞu ― коэффициент использования оборудования
ζ ― коэффициент сопротивления, т.н. коэффициент потерь давления.
g ― 9,81 (м/сек²), ускорение свободного падения

Пример №1 с работающей насосной станции (Европа)

Расчет потерь электроэнергии для обратного клапана (невозвратного) DN 200 одного из авторитетных производителей.
Рассмотрим затраты для двух конкретных случаев: Западная Европа и Россия (Москва)

Случай 1. Проект – небольшая НС, Западная Европа

• Рабочее давление насоса 5 (атм.), скорость потока v=3 (м/с) → Q=339 (м³/ч) uz ηu =0,8 → P=58,9 (кВт)

• Общий вес (крутящий момент) рычага, грузов и диска Mg=150 (Н•м) DN 200 → Δp=0,32 (атм)

• Прямые потери энергии как результат использования обратного клапана с рычагом и грузом составляют: ΔP=3,8 (кВт), что означает 6 % от общей мощности двигателя привода насоса

Потери энергии при непрерывной работе 24 часа в сутки:
E=3,8 (кВт) • 24(ч) • 365 (дней)=33.288 (кВт/год)

Ежегодные финансовые потери:
G=33.288 (кВт/год) x 0,13 (€/кВт, стоимость энергии в Европе)=4.327 (€/год)

При том, что средняя стоимость обратного клапана DN 200 (невозвратный обратный клапан) в классическом исполнении составляет сумму меньшую, чем обозначенные потери.

Случай 2. Проект НС «Чертановская» (ОАО МОЭК)

При использовании классического решения (гидравлический демпфер+груз с рычагом), по нашим расчетам, потенциальные финансовые потери в год составляют сумму около 50 млн рублей, что превышает бюджет на закупку обратных клапанов с демпферами (+рычаг с грузом) старой конструкции, выделенный инвестором в 2015 году.

Необходимо задуматься, ведь в итоге вся эта сумма платится
из кармана потребителя!

Рисунок 14 ― Практический пример: насосная станция с тремя обратными клапанами DN 200, использующими классическое решение демпфирования, вдобавок к проблемам с интенсивными ударами, теряет ежегодно: 3 x 4,000 €/год = 12,000 €/год
Рисунок 15 ― Существующие решения обратных клапанов, используемые ОАО МОЭК

Таблица 1 ― Потенциальные потери на обратных клапанах с демпферами старого типа (с рычагами и грузом)

Замечание: Расчет производится на основе примерных данных по весу груза и длине рычага. При учете потерь должны также быть добавлены потери, скалькулированные с учетом коэффициента гидравлического сопротивления конкретной арматуры (используя информацию от производителя).
При расчете затрат в данной калькуляции эти потери не рассчитывались, так как условно было принято, что обратные арматуры ― «железо» разных производителей имеют примерно одинаковые коэффициенты.
Цена электроэнергии в Москве* - условно для калькуляции примем, что 1кВт∙ч стоит 3,5 рубля

ВЫВОД: Зарубежный потребитель как никто другой умеет считать деньги. Предлагаемый подход к проблематике уже давно нашел понимание у европейских потребителей, которые стремятся максимально повысить эффективность использованного оборудования. Помимо факторов надежности, цены, сроков поставки, которыми оперируют российские потребители, при выборе обратных клапанов следует обращать внимание и на экономику их использования. Приведенный анализ по крупной НС (Случай 2) показывает катастрофические суммы потерь, которые в годовом выражении обходятся в сумму, превышающую стоимость самих клапанов. В итоге обратный клапан MIV V2-09 или V2 08 с современным блоком демпфирования типа HSAU уже не кажется чрезмерно дорогим в сравнении с ценой отдельного клапана, так как в дополнение к гарантированной защите от гидравлического удара он позволяет значительно экономить, окупая себя за короткий период (в сравнении с классическими решениями).

P.S. Поэтому, когда одна госкомпания (недавно опубликованная новость) отчитывается об экономии 16 млрд рублей на конкурентных закупках, то это, конечно, хорошо. Но, прочитав эту статью, пожалуй, призадумаешься о потенциальных потерях госкорпорации, которая во главу многих из этих закупок ставит главным образом цену (весовой коэффициент для начисления баллов от 0,9 до 0,95, то есть «почти 100%»-условно единственный фактор) изделия (арматуры и другого оборудования) и не принимает во внимание мнение экспертов и экономику от инженеров, имеющих хорошую репутацию в своей области. И подход, использованный недавно данным заказчиком при выборе ответственной запорной и обратной арматуры Ду 2000 для одного строительства ― это лишнее «увы!», по нашему мнению.

N.B. В случае заинтересованности авторы статьи готовы выполнить анализ возможных потерь от применения тех или иных моделей обратных клапанов, оснащенных не передовым навесом, чтобы заказчик смог оценить свою выгоду. Просьба обращаться по адресам, указанным ниже.

Узнать больше о компании MIV и HYDROMAT и ее продукции вы всегда сможете, обратившись к официальному представителю ― ООО «Арматура ГмбХ»
тел./факс +7 (8352) 585-000, 625-539, info@armatura-gmbh.ru
или представителю по Москве и Московской области ― ООО «ПКФ «ПТ ЭР» ―
тел./факс +7 (495) 925-75-67, http://www.1057576.ru/, r1057576@gmail.com

Все права защищены. Использование информации в том или ином виде разрешается только с письменного согласия «Арматура ГмбХ», MIV d.d. и HYDROMAT.


Опубликовано в «Вестнике арматурщика» № 7 (27) 2015

Размещено в номере: "Вестник арматурщика" № 7 (27) 2015

предыдущий материал

М. Ефимов. 3 vs 4 Valves battle
вернуться наверх
Журнал Вестник Арматуростроения
Заводы 28 Стандартизация 26 Газ.Нефть.Технологии УФА 13 ЗАО РОУ 10 Вестник арматуростроителя 39 Тулаэлектропривод 23 импортозамещение 20 видеорепортаж 24 Ямал СПГ 12 НПАА 34 ОМК 90 Северный поток 10 Теплоснабжение 15 Ремонт и реконструкция 44 Нефтепереработка 17 Инвестиции 48 Запорная арматура 35 Сертификация 63 Фобос 11 Тяньваньская АЭС 10 Нефтегаз-2016 11 Регулирующая арматура 19 Запорно-регулирующая арматура 21 Транснефть 102 Импортозамещение 133 Газпром 191 Аудиты 14 Шаровые краны 87 Клапаны 40 Трубы 49 Новинки и разработки 94 Тендеры и закупки 26 Модернизация производства 55 Контроль и испытания 24 Газ 38 Новое строительство 52 Выставки 38 Обучение и кадры 16 Автоматизация 22 Локализация 21 НИОКР 36 Инновации 37 Международное сотрудничество 77 СПГ 33 Приводы 31 Нефтегаз 36 Новинки 62 КТОК 26 Нефть и газ 111 Экология 10 Насосное оборудование 37 Сила Сибири 22 ТЭЦ 18 Армалит 25 ЧТПЗ 80 АДЛ 47 ТЭКО-ФИЛЬТР 26 Сумское НПО 30 РОСТРАНСМАШ Трейд 10 РТМТ 26 РЭП Холдинг 14 ГОСТ 11 ОМЗ 19 Сплав 21 АЭМ-технологии 17 Роснефть 48 Темпер 17 Курганский арматуростроительный кластер 15 ЖКХ 20 АУМА 28 Ижнефтемаш 16 Ивано-Франковский арматурный завод 13 «АДЛ» 29 Трубная металлургическая компания 25 МК Сплав 93 Завод Трубодеталь 19 АЭС 46 ОМЗ-Спецсталь 10 ДС Контролз 18 выставка 136 Москва 28 МашСталь 11 арматура 27 ЦКБА 12 Арматурные истории 13 МосЦКБА 10 трубопроводная арматура 436 Danfoss 91 БКЗ 37 Барнаульский котельный завод 21 литье 18 Судостроение 13 Astin BGM Group 11 ЦНИИТМАШ 14 нефть 43 Данфосс 115 Саранский приборостроительный завод 12 Санкт-Петербург 18 KSB 25 Задвижки 27 Camozzi 13 БАЗ 17 Волгограднефтемаш 42 Омский НПЗ 14 ТЭК 10 Ростовская АЭС 15 шаровой кран 15 Итоги года 16 Росатом 87 Атомэнергомаш 59 Индустриальный парк 10 Минпромторг 27 запорная арматура 14 ООО Паровые системы 12 Россия 32 Уралхиммаш 17 Индия 10 Emerson 36 Пензтяжпромарматура 24 AUMA 17 «РусГидро» 10 «Конар» 13 ООО «Приводы АУМА» 31 Корпорация «Сплав» 20 ООО "Темпер" 10 ARAKO 13 АБС ЗЭиМ Автоматизация 79 «Трубодеталь» 14 «Армалит» 18 водоснабжение 15 Hawle 19 Татнефть 11 ТМК 43 Гусар 31 Metso 14 ПОЛИПЛАСТИК 23 ТермоБрест 38 Росстандарт 15 НПО ГАКС-АРМСЕРВИС 30 Курганская область 29 ООО «РТМТ» 19 «ПРИВОДЫ АУМА» 19 Энергомашкомплект 12 модернизация 41 ВМЗ 28 Росводоканал 12 Первоуральский новотрубный завод 14 Трубодеталь 12 НОВАТЭК 19 LD 23 НПО ГАКС Армсервис 10 Благовещенский арматурный завод 16 ФРП 11 АЭМ - технологии 12 Петрозаводскмаш 13 США 12 рынок 13 Транснефть – Диаскан 12 ПромАрм 23 Valve Industry Forum & Expo 10 Honeywell 11 ФАС 11 АБС Электро 44 Газ. Нефть. Технологии 26 ГУП ТЭК СПб 13 ПТПА 19 ПРИВОДЫ АУМА 21 электроприводы 61 Курган 25 Тюмень 15 Дайджест арматуростроителя 136 промышленность 13 предохранительные клапаны 10 ГЕАЗ 20 электропривод 15 Реком 10 Китай 28 Курганский арматурный завод 14 НПП ТЭК 13 Силовые машины 20 форум 23 VALTEC 38 семинар 33 ЗапСибНефтехим 26 Магнитогорский металлургический комбинат 11 ММК 15 Северсталь 17 Тяжпромарматура 20 Заметки редактора 40 Armtorg 48 сильфонные компенсаторы 12 GRUNDFOS 18 ГРУНДФОС 17 Авангард 10 металлургия 23 газопровод 31 нефтегазовая отрасль 30 машиностроение 34 итоги 25 КОНАР 23 фитинги 10 конкурс 34 ГАКС-АРМСЕРВИС 26 производство 27 ИФАЗ 17 HEAT&POWER 15 Ижорские заводы 15 Астима 10 СИБУР 41 Нововоронежская АЭС 2 15 Хавле Индустриверке 13 Сумское машиностроительное научно-производственное объединение 22 тендер 13 интервью 64 юбилей 18 обзор 10 ПКТБА 12 испытания арматуры 10 ПНТЗ 10 Редукционно-охладительные установки 11 регулирующие клапаны 19 Турция 13 аудит 28 ЧелябинскСпецГражданСтрой 19 экспорт 14 СеверМаш 11 Белорусская АЭС 20 нефтепровод 25 литейное производство 36 оборудование 18 рейтинг 14 Арзамасский приборостроительный завод 12 РАСКО 19 НПФ РАСКО 25 обучение 16 Челябинск 14 обратные клапаны 16 ЧЗЭМ 20 аккредитация 12 атомная промышленность 10 НТА-Пром 11 газовая отрасль 13 Петербургский Международный Газовый Форум 22 Белэнергомаш 16 Старооскольский арматурный завод 12 Uni-Fitt 11 вебинар 13 фильтры 10 МЗТА 12 конференция 66 Северный поток 2 26 Загорский трубный завод 11 Эмерсон 14 АО «ОКБМ Африкантов» 14 ГК Римера 28 Казахстан 20 Денис Мантуров 13 затворы 14 Транснефть-Сибирь 11 сотрудничество 32 Viessmann 13 ЗиО-Подольск 16 Будущее Белой металлургии 11 Лукойл 30 WorldSkills 11 Новое производство 19 машиностроительная корпорация СПЛАВ 10 АЛНАС 10 РИМЕРА 10 Этерно 12 Владимир Путин 10 АЭС Куданкулам 11 ремонт 16 новинка 39 Объединенная металлургическая компания 35 Выксунский металлургический завод 13 стенд 13 PCVExpo 15 нефтегазовый комплекс 10 история арматуростроения 12 автоматизация 13 локализация 11 HERZ 11 Группа ГМС 13 контрафакт 11 магистральный нефтепровод 13 Газпром нефть 11 новое оборудование 13 энергоэффективность 13 маркетинг 10 шаровые краны 23 трубопроводная арматура для АЭС 12 поставка 35 теплоснабжение 10 Aquatherm Moscow 26 строительство газопровода 20 Интергазсерт 10 семинары 12 Курганхиммаш 11 Экспоцентр 10 трубопроводы 20 Эго Инжиниринг 17 Группа ЧТПЗ 77 белая металлургия 15 Нефтегаз 2017 15 нефтедобыча 12 Энергомаш (Чехов) - ЧЗЭМ 16 Уфа 10 строительство 15 Алексей Миллер 10 насосы 16 соглашение 12 Металлообработка 12 котлы 14 Минпромторг РФ 17 трубная продукция 11 поставка оборудования 46 ПНФ ЛГ автоматика 14 инжиниринг 10 криогенная арматура 10 MIOGE 17 Машиностроительная корпорация «Сплав» 10 ИННОПРОМ 2017 10 Российское арматуростроение 23 ПМГФ 22 ВАРК 11 обучение сотрудников 12 система менеджмента качества 11 атомная отрасль 30 нефтяная отрасль 11 российское производство 70 арматуростроение 31 Атомная энергетика 16 трубопровод 11 сравнение конструкций 11 опыт эксплуатации 23 медиагруппа Armtorg 38 международная выставка 21 мировое арматуростроение 23 БИРС Арматура 17 Госкорпорация Росатом 11 награда 10 пао газпром 14 участие в выставках 26 проблемы отрасли 10 проектирование 10 новые технологии 31 компания АДЛ 10 Бирс 11 Нефтегаз-2018 10 поздравление 10 российское арматуростроение 42 сибэнергомаш 13 медиагруппа ARMTORG 12 делегация 12 YDF Valves 13 новые разработки 39 Заводы трубопроводной арматуры 20 видеорепортаж с производства 19 ЛГ Автоматика 16 Точприбор 13 ЭКВАТЭК 11 участие в выставке 18 ПМГФ - 2018 10