Что ожидает пользователь от запорного клапана? Предполагается единственно верный ответ: чтобы клапан надежно перекрывал поток и не допускал утечки как можно дольше. Также желательно, чтобы он сохранял это качество в течение многих лет.
Конечно, у запорного клапана существует ещё ряд критериев, среди которых обобщенно, не привязываясь к типу клапана и его конструктивному исполнению, можно выделить: утечки по штоку, возможность регулирования потока, стоимость клапана, удобство ремонта и обслуживания и пр. Важнейшим моментом является доступность и уровень технической поддержки поставщика. Если все последние критерии полностью устраивают пользователя, но при этом клапан не держит поток, то вряд ли можно всерьёз оценивать прочие качества запорной арматуры. Они попросту ничего не стоят!
Технические и эксплуатационные свойства оборудования на протяжении всего жизненного цикла устройства не должны отходить на второй план после коммерческих условий. Пример запорного клапана очень простой, т. к. критерий, по сути, один. Другие типы трубопроводной арматуры могут иметь сразу несколько критериев, тем не менее связанных с выполнением единственной и главной функции.
В настоящей статье мы рассмотрим технически более сложное устройство – автономный редукционный клапан для пара, хорошо подходящий для детальной оценки факторов, влияющих на выполнение основной задачи, т. е. снижения давления пара. На рисунке 1 представлена иллюстрация функции снижения давления автоматическим редукционным клапаном для пара, который иногда называют просто «редуктор».
В области небольших расходов и давлений широкое распространение получили редукционные клапаны прямого действия (рис. 2), которые работают следующим образом: импульс давления с паропровода за клапаном через конденсационный сосуд передается по импульсной линии на подпружиненную мембрану, которая соединена непосредственно со штоком, на окончании которого расположен главный клапан. Через этот клапан проходит пар от входа к выходу. Давление на входе Р1 передается на выход клапана. Чем выше давление на выходе Р2, тем выше усилие на мембрану, тем больше она деформируется (изгибается вверх) и, преодолевая противодействие пружины, перекрывает проходное сечение. Таким образом, давление на выходе клапана снижается. Обратный процесс проходит аналогично. При снижении давления на выходе клапана мембрана деформируется в обратную сторону (изгибается вниз), клапан приоткрывается, и давление на выходе возрастает. Таким образом, выходное давление воздействует непосредственно на главный клапан, управляя его положением. Настройка требуемого давления на выходе осуществляется изменением сжатия пружины при помощи настроечного винта. Во всех клапанах прямого действия выходное давление воздействует на мембрану, которая перемещает шток, открывая или закрывая главный клапан.
Такой принцип работы предполагает, что давление пара на выходе, воздействуя на мембрану, должно преодолевать усилие пружины. Ход штока в зависимости от размера клапана определяет ход пружины и может достигать нескольких сантиметров. Для сжимания механически массивной пружины необходимо прилагать постоянно увеличивающееся усилие. Это сказывается на поведении редукционного клапана прямого действия, а именно на том, что при росте расходов, т. е. при полном открытии клапана точность поддержания давления снижается в сторону падения давления настройки (рис. 3). Простая конструкция выполняет свою функцию, однако не в полной мере.
Клапаны прямого действия имеют простую конструкцию, низкую стоимость, быстрый и несложный ремонт. Это их основные достоинства. Недостатком является необходимость использования сосуда и протяженной импульсной линии, наличие резиновой мембраны. Важным недостатком является необходимость использования сосуда, который предохраняет резиновую мембрану от перегрева. Перед началом эксплуатации требуется наполнить водой сосуд и импульсную линию, соединяющую сосуд и камеру с мембраной, а также проконтролировать герметичность всех соединений. Резиновая мембрана – объективно слабое звено регулятора, поэтому импульсную линию требуется оберегать от механических повреждений и следить за герметичностью присоединений сосуда и трубок. Но, как было сказано выше, главный недостаток клапана – «плавающая» точность, зависящая от расхода пара.
Если не учитывать данные недостатки, то это может привести к следующим последствиям:
• брак продукции или снижение скорости нагрева из-за снижения заданного давления на максимальных расходах пара;
• более частые остановы на ремонт/обслуживание;
• повышенный расход запасных частей.
Развитие технологических процессов производства, использующих пар, диктует повышенные требования к компонентам пароконденсатных систем, в т. ч. к редукционным клапанам. Устаревшие механизмы уходят в прошлое, и им на смену приходят новые. Многие технологические процессы являются весьма требовательными в части качества параметров пара, и далеко не всегда клапаны прямого действия могут отвечать этим высоким требованиям по точности. Надежность также играет большую роль, потому что остановись редуктор в середине технологического процесса при аварии, потери могут исчисляться сотнями тысяч рублей в сутки.
Есть ли альтернатива редукционному клапану прямого действия? Есть, это редукционный клапан с пилотным управлением. Конструктивно они могут иметь два варианта: мембранные (рис. 4) и поршневые (рис. 5).
Клапаны с пилотным управлением являются также автономными регуляторами давления пара, но работают иначе, нежели клапаны прямого действия. Импульс выходного давления непосредственно воздействует не на исполнительный орган, а на мембрану управляющего клапана, называемого еще «пилотом».
Пилотный клапан, как правило, встроен в редуктор. В зависимости от величины импульса на него подает больше или меньше пара со входа редуктора на исполнительный механизм, которым является мембрана или поршень. Мембрана (или поршень) соединен со штоком главного клапана.
Управляющий клапан-пилот можно назвать своего рода «усилителем сигнала». Лишь небольшое перемещение маленький пружины пилотного клапана вызывает в несколько раз большее перемещение главного клапана, через который проходит пар. Таким образом, исключается нелинейность в работе клапана на высоких расходах, что характерно для клапанов прямого действия, описанных выше. Точность пилотных клапанов неизменно выше во всем диапазоне расходов.
Однако мембранная конструкция пилотного клапана не является идеальной. Множество встроенных внешних импульсных линий из медных трубок с резьбовыми фитингами делают клапан уязвимым к внешним механическим воздействиям и утечкам. Длинная протяженность медных трубок увеличивает риск засорения. Главная мембрана, имеющая довольно большой диаметр (от 20 см и выше, в зависимости от размера клапана), расположенная снизу, весьма чувствительна к термическим воздействиям. При попадании конденсата на разогретую паром мембрану нередко происходит разрыв из-за неравномерного температурного фронта. Поэтому разогрев клапана следует производить как можно медленнее, предусматривая меры по удалению конденсата.
Подведем краткий итог:
• мембранные клапаны с пилотным управлением имеют отличные рабочие характеристики в части регулирования давления и оправдывают свое применение на ответственных участках производств;
• требуется квалифицированный персонал для сервиса;
• рекомендуется иметь на складе запасные части.
Следующим этапом развития редукторов с пилотным клапаном стала разработка редукторов с поршневым механизмом. Один из примеров изображен на рис 5.
Поршневой клапан не имеет проблем, характерных для мембранных клапанов, за счет отсутствия мембраны как таковой и внешних импульсных линий. Перемещением главного клапана занимается поршень в виде втулки со сферическим днищем, обеспечивающим самоцентрирование поршня. Импульсные линии имеют короткую длину, являются внутренними и прямыми, они поддаются очистке. Встроенный в редуктор фильтр грубой очистки, циклонный сепаратор и конденсатоотводчик со свободноплавающим поплавком исключают эффекты эрозии и преждевременного износа главного клапана. Известно, что капли конденсата, летящие в потоке влажного пара с высокой скоростью, являются своего рода абразивом, вызывающим износ трубопроводов и клапанов. Встроенная система осушки и удаления конденсата гарантирует минимальную скорость износа.
Таким образом, поршневые редукционные клапаны с пилотным управлением:
• являются прекрасной альтернативой мембранным клапанам, обеспечивая аналогичные высокие рабочие характеристики;
• имеют более длительный срок службы за счет меньшего количества уязвимых деталей конструкции и, как следствие, ниже затраты на содержание.
Совокупность перечисленных технических особенностей делает такой редуктор совершенным устройством. На рисунке 6 изображен пример поведения поршневого клапана COSPECT.
Важно понимать, что именно приобретает пользователь, получая поршневой клапан вместо стандартных типов клапанов. В обязательном порядке необходимо сравнивать эксплуатационные расходы на содержание клапанов.
Пароконденсатные системы как часть инженерного оборудования зданий, сооружений и технологических процессов строятся и реконструируются по-разному. Одни элементы подбираются, закупаются и монтируются в рамках единого проекта со строгим контролем ответственных сторон на всех этапах строительства, другие – в рамках локальных мер по переоборудованию или модернизации участков производства или вспомогательных систем (ГВС, отопление и пр.).
Естественно, что чем меньше контроль, тем выше вероятность ошибки. Практика показывает, что довольно часто компоненты инженерных систем, в частности трубопроводная арматура, могут приобретаться, что называется, без привязки к объекту, т. е. без полной информации об объекте приложения. Например, появляется потребность в оборудовании и формулируется она следующим образом: «Редуктор для пара 10/6 кгс/см2, расход 2 000 кг/ч, DN 50, PN 16». Знакомая картина, не правда ли? Следует понимать, какую именно цель преследует пользователь, приобретая такое непростое и ответственное оборудование, как редукционный клапан. Необходимо ли ему просто снизить давлением «как-нибудь» и ему не важно, что произойдет уже через полгода, или есть дополнительные условия и история эксплуатации данной системы, позволяющая сделать выводы о стоимости ремонтов, обслуживания, статистике отказов и пр.
Распространенной ошибкой является сравнение редукторов без учета стоимости эксплуатации. Многие организации при закупках руководствуются только ценой, обозначая потребность «купить по минимальной цене». Но если задача звучит следующим образом: «Максимально повысить энергоэффективность производства, обосновать предполагаемые мероприятия, учесть затраты на содержание», то глобальный эффект будет качественно иным.
Данная тема не нова и, естественно, актуальна не только в нашей стране. Вот что говорят по этому поводу коллеги из Европы, работающие на рынке трубопроводной арматуры и средств автоматизации:
«Конечно, такие тенденции есть и в Европе. В шутку это называют «вишневый сбор», когда из отдельных комплектующих выбивают последние скидки, получив тем самым самые выгодные цены на плохо работающую систему. Поэтому есть такое важное понятие, как «функциональная гарантия», когда выбирают ту фирму, которая умеет «довести до ума» систему, даже если при этом она сама оптимизирует комплектующие – ведь в конечном итоге она же несет ответственность за работоспособность.
Второе важное понятие – «наименьшие затраты за весь жизненный цикл». При этом рассматривают не только самые дешевые закупочные цены изделий, а также расходы по инжинирингу и пусконаладке, по обслуживанию и энергопотреблению, по модернизации и вплоть до возможности утилизации по окончанию жизненного цикла» (Г-н M. Bismark, Fr.Sauter AG, Швейцария).
«Нам рассказывают, как потратить деньги, представляя тот или иной продукт? Или предлагают решение конкретной проблемы и инвестицию в оборудование, повышающее эффективность вашего производства, помогая сэкономить гораздо больше в среднесрочной или долгосрочной перспективе? Будьте внимательны с коммерческими предложениями, анализируйте техническую составляющую. В мире пароконденсатного оборудования в Европе пользователи, к сожалению, зачастую не различают понятия цена и ценность предлагаемого продукта. Цена назначается продавцом или его шефом, а ценность скрыта в комбинации грамотной консультации и подбора инженером неповторимого традиционного качества самого продукта и экономической выгоды для заказчика завтра» (Г-н N. Fuetterer, TLV Euro GMbH, Германия).
Постоянно посещая различные производства, мы своими глазами наблюдаем, что культура строительства и эксплуатации пароконденсатных систем в России неуклонно повышается. Технологии разработки и производства трубопроводной арматуры для пара и конденсата (как важные компоненты инженерных систем) также претерпевают изменения и идут вперед. Так, двигаясь от простого к сложному, технологии делают нашу жизнь лучше.
