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 30 Стандартизация 35 Газ.Нефть.Технологии УФА 14 ЗАО РОУ 11 Вестник арматуростроителя 51 НПО Регулятор 11 Тулаэлектропривод 27 импортозамещение 24 видеорепортаж 33 Ямал СПГ 12 НПАА 34 ОМК 97 Северный поток 10 Теплоснабжение 21 Ремонт и реконструкция 44 Нефтепереработка 18 Инвестиции 49 Запорная арматура 54 Сертификация 73 Фобос 11 Тяньваньская АЭС 10 Нефтегаз-2016 11 Регулирующая арматура 22 Запорно-регулирующая арматура 28 Транснефть 108 Импортозамещение 138 Газпром 194 Награды 21 Аудиты 15 Шаровые краны 96 Клапаны 55 Трубы 50 Новинки и разработки 99 Тендеры и закупки 26 Модернизация производства 66 Контроль и испытания 24 Газ 38 Новое строительство 52 Выставки 40 Обучение и кадры 16 Автоматизация 30 Локализация 27 НИОКР 36 Теплоэнергетика 11 Инновации 38 Международное сотрудничество 82 СПГ 35 Приводы 40 Нефтегаз 38 Новинки 63 посещение предприятий 12 КТОК 26 Нефть и газ 112 Экология 15 Насосное оборудование 47 Сила Сибири 22 РАВВ 11 ТЭЦ 18 Армалит 30 ЧТПЗ 87 АДЛ 57 ТЭКО-ФИЛЬТР 27 Сумское НПО 30 РОСТРАНСМАШ Трейд 11 РТМТ 31 РЭП Холдинг 15 ГОСТ 13 ОМЗ 20 Сплав 22 Белэнергомаш-БЗЭМ 13 АЭМ-технологии 18 Роснефть 49 Темпер 21 Курганский арматуростроительный кластер 15 ЖКХ 22 АУМА 36 Ижнефтемаш 18 Ивано-Франковский арматурный завод 16 «АДЛ» 33 Трубная металлургическая компания 37 МК Сплав 105 Завод Трубодеталь 21 АЭС 47 задвижки 14 ОМЗ-Спецсталь 11 ДС Контролз 19 ARMTORG 12 выставка 147 Москва 29 МашСталь 12 арматура 32 ЦКБА 12 Арматурные истории 13 МосЦКБА 11 трубопроводная арматура 531 Danfoss 117 клапан 11 БКЗ 40 Барнаульский котельный завод 39 литье 21 Судостроение 13 Astin BGM Group 11 Астин 10 ЦНИИТМАШ 16 нефть 43 Данфосс 140 Саранский приборостроительный завод 12 Санкт-Петербург 18 KSB 32 Задвижки 29 Camozzi 13 БАЗ 17 Волгограднефтемаш 45 Омский НПЗ 14 ТЭК 10 Ростовская АЭС 15 шаровой кран 15 БРОЕН 11 Итоги года 18 Росатом 90 Атомэнергомаш 60 Индустриальный парк 10 Минпромторг 27 ОЗНА 12 запорная арматура 21 Константа-2 10 ООО Паровые системы 12 Россия 33 Уралхиммаш 18 Индия 10 Emerson 40 Пензтяжпромарматура 24 AUMA 23 «РусГидро» 10 «Конар» 14 ООО «Приводы АУМА» 41 Корпорация «Сплав» 22 ООО "Темпер" 14 ARAKO 13 АБС ЗЭиМ Автоматизация 80 «Трубодеталь» 15 «Армалит» 21 НПО "Регулятор" 13 водоснабжение 23 Hawle 22 Татнефть 11 ТМК 51 Гусар 32 Metso 17 ПОЛИПЛАСТИК 25 ТермоБрест 47 Росстандарт 18 НПО ГАКС-АРМСЕРВИС 35 Курганская область 33 ООО «РТМТ» 24 «ПРИВОДЫ АУМА» 21 Энергомашкомплект 13 модернизация 46 Арматурный Завод 10 ВМЗ 32 Росводоканал 13 Первоуральский новотрубный завод 15 Трубодеталь 13 НОВАТЭК 20 LD 32 НПО ГАКС Армсервис 13 Благовещенский арматурный завод 17 Водоприбор 13 ФРП 11 АЭМ - технологии 13 Петрозаводскмаш 16 США 12 рынок 13 Транснефть – Диаскан 14 ПромАрм 24 Valve Industry Forum & Expo 10 Honeywell 12 ФАС 11 АБС Электро 44 Газ. Нефть. Технологии 27 ГУП ТЭК СПб 17 ПТПА 20 ПРИВОДЫ АУМА 31 электроприводы 73 Курган 26 Тюмень 15 Дайджест арматуростроителя 136 СПД БИРС 11 промышленность 14 предохранительные клапаны 13 ГЕАЗ 20 электропривод 15 Реком 11 Китай 28 дисковые затворы 10 газовое оборудование 10 Курганский арматурный завод 16 НПП ТЭК 13 Силовые машины 23 форум 24 VALTEC 38 семинар 33 ЗапСибНефтехим 26 Магнитогорский металлургический комбинат 19 ММК 23 Северсталь 19 Тяжпромарматура 20 ПАО Татнефть 10 Заметки редактора 44 Armtorg 48 сильфонные компенсаторы 13 GRUNDFOS 23 ГРУНДФОС 21 Авангард 11 Арматуростроитель года 18 Иран 11 металлургия 23 газопровод 31 нефтегазовая отрасль 34 машиностроение 40 итоги 25 КОНАР 24 фитинги 12 конкурс 38 ГАКС-АРМСЕРВИС 29 производство 29 ИФАЗ 20 HEAT&POWER 19 Ижорские заводы 18 Астима 11 СИБУР 45 Нововоронежская АЭС 2 15 Хавле Индустриверке 14 Сумское машиностроительное научно-производственное объединение 22 тендер 13 интервью 72 юбилей 23 обзор 11 ПКТБА 13 испытания арматуры 12 ПНТЗ 11 Редукционно-охладительные установки 13 регулирующие клапаны 19 Турция 15 банкротство 12 аудит 30 ЧелябинскСпецГражданСтрой 22 экспорт 17 СеверМаш 11 Белорусская АЭС 20 нефтепровод 25 Хавле 12 литейное производство 43 оборудование 23 рейтинг 18 Арзамасский приборостроительный завод 16 РАСКО 21 НПФ РАСКО 28 обучение 23 KSB Group 13 Челябинск 14 обратные клапаны 16 ЧЗЭМ 25 аккредитация 13 атомная промышленность 10 Temper 10 НТА-Пром 12 газовая отрасль 16 Петербургский Международный Газовый Форум 25 Белэнергомаш 21 ГК Авангард 10 Старооскольский арматурный завод 16 Uni-Fitt 11 вебинар 13 фильтры 11 МЗТА 12 конференция 78 Северный поток 2 26 Загорский трубный завод 17 Эмерсон 16 АО «ОКБМ Африкантов» 14 ГК Римера 30 Уплотнения 10 Метран 11 Казахстан 20 Денис Мантуров 13 затворы 16 Транснефть-Сибирь 11 сотрудничество 42 Viessmann 13 ЗиО-Подольск 16 Будущее Белой металлургии 11 Лукойл 30 WorldSkills 14 Новое производство 22 Valve World Expo 17 машиностроительная корпорация СПЛАВ 10 поставка арматуры для АЭС 11 АЛНАС 11 РИМЕРА 11 Valve World Expo - 2016 10 Этерно 12 Владимир Путин 11 расширение ассортимента 13 АЭС Куданкулам 11 ремонт 16 качество 11 новинка 41 Объединенная металлургическая компания 45 Выксунский металлургический завод 17 стенд 13 WorldSkills Russia 11 PCVExpo 24 Криоген-Экспо 13 нефтегазовый комплекс 10 судовая арматура 12 история арматуростроения 12 автоматизация 14 локализация 15 HERZ 12 Группа ГМС 14 контрафакт 12 магистральный нефтепровод 13 конкурс проектов 11 Газпром нефть 12 новое оборудование 16 энергоэффективность 14 маркетинг 10 шаровые краны 39 трубопроводная арматура для АЭС 13 поставка 39 теплоснабжение 10 Aquatherm Moscow 43 развитие производства 16 строительство газопровода 20 расширение линейки 16 Интергазсерт 11 семинары 17 САЗ Авангард 15 Курганхиммаш 17 Экспоцентр 11 насосные агрегаты 14 трубопроводы 25 Эго Инжиниринг 21 Группа ЧТПЗ 92 белая металлургия 15 Нефтегаз 2017 15 нефтедобыча 12 премия 11 Энергомаш (Чехов) - ЧЗЭМ 20 Атоммаш 11 Уфа 10 rotork 10 строительство 15 Алексей Миллер 10 обновление 14 насосы 20 соглашение 13 Металлообработка 13 технический семинар 14 котлы 14 ТВЭЛ 10 Минпромторг РФ 18 трубная продукция 27 Энергетика 10 испытания 10 поставки оборудования 10 поставка оборудования 87 патент 10 ПНФ ЛГ автоматика 14 открытие производства 18 инжиниринг 12 новинки 11 криогенная арматура 16 Группа ПОЛИПЛАСТИК 10 MIOGE 17 Машиностроительная корпорация «Сплав» 15 ИННОПРОМ 2017 10 Российское арматуростроение 23 ПМГФ 30 ВАРК 15 обучение сотрудников 19 система менеджмента качества 15 атомная отрасль 31 нефтяная отрасль 16 российское производство 75 арматуростроение 46 котельное оборудование 19 технологии 10 Выставка 11 Атомная энергетика 16 трубопровод 12 сравнение конструкций 11 опыт эксплуатации 24 медиагруппа Armtorg 46 международная выставка 25 мировое арматуростроение 25 БИРС Арматура 20 АО "Атомэнергомаш" 10 Госкорпорация Росатом 11 отгрузка оборудования 20 награда 15 деловая встреча 11 ЭЛЕМЕР 10 пао газпром 14 Госкорпорация "Росатом" 11 участие в выставках 35 проблемы отрасли 10 проектирование 11 новые технологии 35 компания АДЛ 20 НПО «Регулятор» 10 ПАО «Газпром» 14 Бирс 12 СП "ТермоБрест" ООО 18 награждение 12 Нефтегаз-2018 10 поздравление 19 праздник 10 Lady арматуростроения 12 российское арматуростроение 53 сибэнергомаш 13 медиагруппа ARMTORG 17 делегация 16 YDF Valves 13 международные стандарты 10 новые разработки 77 водный форум 12 запорно-регулирующая арматура 13 Заводы трубопроводной арматуры 23 PCVExpo 2018 12 интервью с выставки 33 Повышение производительности труда 10 видеорепортаж с производства 34 выставки 12 сертификация 10 ЛГ Автоматика 17 интервью с дирекцией 20 видеорепортаж с производственной площадки 13 Белэнергомаш – БЗЭМ 15 Точприбор 13 ЭКВАТЭК 26 участие в выставке 67 Aquatherm Moscow 2019 18 ПМГФ - 2018 17 Легенды арматуростроения 10 ЭКВАТЭК 2018 13 трубная промышленность 20 участие в форуме 17 Hartmann 10 Материалы конференции «Внутренняя стандартизация конечных потребителей трубопроводной арматуры. Новые разработки в отрасли арматуростроения» 12 Конкурс 10