Гидравлический расчет паропроводов систем парового отопления низкого и высокого давления. Как отводить конденсат из главных коллекторов котельных и распределительных паропроводов

Высокая эффективность использования энергии пара прежде всего зависит от правильной конструкции паро-конденсатных систем. Для достижения максимальной эффективности паро-конденсатных систем существует ряд правил, которые необходимо знать и учитывать при проектирование, монтаже и пуско-наладочных работах:
— При производстве пара необходимо стремиться к выработке пара высокого давления, т.к. паровой котел является более быстродействующим при высоком давлении, чем при низком. Это связано с тем, что скрытая теплота парообразования при низком давлении более большая, чем при высоком давлении. Иначе говоря, необходимо затратить больше энергии для выработки пара при низком давлении, чем при высоком, относительно разного уровня тепловой энергии в воде.
— Для использования в технологическом оборудовании всегда подавайте пар минимально допустимого давления, т.к. теплопередача при низком давлении, когда скрытая теплота парообразования выше, более эффективна. В противном случае тепловая энергии пара уйдет вместе с конденсатом высокого давления. И ее приходится ловить на уровне утилизации вторичного пара, если заниматься энергосбережением. — Всегда вырабатывайте максимальное количество пара из вторичного тепла, остающегося после технологического процесса, т.е. обеспечивая работоспособность отвода и использования конденсата. Не правильно смонтированное и не правильно работающее оборудование в паро-конденсатных системах служат источником потерь энергии пара. А также являются причиной не стабильной работы всей паро-конденсатной системы.

Установка конденсатоотводчика Конденсатоотводчики устанавливаются как для дренажа магистральных паропроводов, так и для отвода конденсата от теплообменного оборудования. Конденсатоотводчики служат для удаления конденсата, образующегося в паропроводе вследствие тепловых потерь в окружающую среду. Теплоизоляция снижает уровень тепловых потерь, но не исключает их полностью. Поэтому на всем протяжении паропровода необходимо предусматривать узлы отвода конденсата. Отвод конденсата необходимо организовывать не реже 30-50 м на горизонтальных участках трубопроводов. Первый конденсатоотводчик за котлом должен иметь пропускную способность не менее 20 % от производительности котла. При длине трубопровода более 1000 м пропускная способность первого конденсатоотводчика должна быть 100 % от производительности котла. Это требуется для удаления конденсата в случае уноса котловой воды. Обязательная установка конденсатоотводчика требуется перед всеми подъемами, регулирующими клапанами и на коллекторах.

Отвод конденсата необходимо осуществлять с помощью карманов отстойников. Для труб диаметром до 50 мм диаметр отстойника может быть равен диаметру основного паропровода. Для паропроводов диаметром свыше 50 мм рекомендуется использовать отстойники на один/два типоразмера меньше. В нижней части отстойника рекомендуется установить запорный кран или глухой фланец для очистки (продувки) системы. Во избежание засорения конденсатоотводчика отвод конденсата нужно делать на некотором расстоянии от нижней части отстойника.

Узел отвода конденсата Перед конденсатоотводчиком необходимо установить фильтр, а за конденсатоотводчиком — обратный клапан (защита от заполнения конденсатом системы при отключении пара в паропроводе). Для уверенности в корректной работе конденсатоотводчика рекомендуется устанавливать смотровые стекла (для визуального контроля).

Удаление воздуха Содержание воздуха в паропроводе значительно снижает теплопередачу в теплообменном оборудовании. Для удаления воздуха из паропровода в качестве автоматических воздушников используются термостатические конденсатоотводчики. «Воздушники» устанавливаются в верхних точках системы, как можно ближе к теплообменному оборудованию. Вместе с «воздушником» устанавливается прерыватель вакуума. При остановке системы охлаждаются трубопроводы и оборудование, вследствие чего происходит конденсация пара. А так как объем конденсата намного меньше объема пара, давление в системе падает ниже атмосферного, из-за чего образуется вакуум. Из-за вакуума в системе могут быть повреждены теплобменники и уплотнения арматуры.

Редукционные станции Для получения пара с требуемым давлением необходимо использовать редукционные клапаны. Во избежание гидроударов необходимо организовать отвод конденсата перед редукционным клапаном.

Фильтры Скорость пара в трубопроводах в большинстве случаев составляет 15-60 м/с. Учитывая возраст и качество котлов и трубопроводов, поступаемый к потребителю пар, как правило, бывает сильно загрязнен. Частицы окалины и грязи при столь высоких скоростях существенно сокращают срок службы паропроводов. Наиболее подвержены разрушению регулирующие клапаны, так как скорость пара в зазоре между седлом и клапаном может достигать сотен метров в секунду. В связи с этим в обязательном порядке необходимо устанавливать фильтры перед регулирующими клапанами. Размер ячеек сетки фильтров, устанавливаемых на паропроводе, рекомендуется 0,25 мм. В отличие от водяных систем, на паропроводах рекомендуется устанавливать фильтр таким образом, чтобы сетка находиласьв горизонтальной плоскости, так как при установке крышкой вниз возникает дополнительный конденсатный карман, способствующий увлажнению пара и увеличивающий вероятность возникновения конденсатной пробки.

Сепараторы пара Конденсатоотводчики, установленные на магистральном паропроводе, отводят уже сформировавшийся конденсат. Однако для получения качественного сухого пара этого бывает недостаточно, так как пар к потребителю поступает влажным из-за конденсатной взвеси, увлекаемой потоком пара. Влажный пар, так же как и грязь, вследствие высоких скоростей способствует эрозионному износу трубопроводов и арматуры. Для того чтобы избежать этих проблем, рекомендуется использовать сепараторы пара. Пароводяная смесь, попадая в корпус сепаратора через входной патрубок, закручивается по спирали. Взвешенные частицы влаги за счет центробежных сил отклоняются к стенке сепаратора, образуя конденсатную пленку. На выходе из спирали при столкновении с отбойником происходит срыв пленки. Образовавшийся конденсат удаляется через дренажное отверстие в нижней части сепаратора. Сухой пар поступает в паропровод за сепаратором. Во избежание потерь пара на дренажном патрубке сепаратора необходимо предусмотреть узел отвода конденсата. Верхний штуцер предназначен для установки автоматического воздушника. Сепараторы рекомендуется устанавливать как можно ближе к потребителю, а также, перед расходомерами и регулирующей арматурой. Срок службы сепаратора обычно превышает срок службы трубопровода.

Предохранительные клапаны При выборе предохранительных клапанов необходимо учитывать конструкцию и уплотнения клапана. Основным требованием, предъявляемым к предохранительным клапанам, кроме корректно выбранного давления срабатывания, является правильная организация отвода сбрасываемой среды. Для воды дренажный трубопровод обычно направляется вниз (сброс в канализацию). В паровых системах, как правило, дренажный трубопровод направляется вверх, на крышу здания или в другое безопасное для персонала место. Из-за этого необходимо учитывать, что после сброса пара в случае срабатывания клапана, происходит образование конденсата, который скапливается в дренажном патрубке за клапаном. При этом создается дополнительное давление, препятствующее срабатыванию клапана и сбросу среды при заданном давлении срабатывания/ Другими словами, в том случае если давление срабатывания 5 бар, и трубопровод, направленный вверх, заполнен на 10 м водой, предохранительный клапан сработает только при давлении 6 бар. Кроме того, в моделях без герметичного уплотнения по штоку вода будет вытекать через крышку клапана. Поэтому во всех случаях, когда выпускной патрубок предохранительного клапана направлен вверх, необходимо организовывать дренаж через специальное отверстие в корпусе клапана или непосредственно через дренажный трубопровод. Запрещается устанавливать запорную арматуру между источником давления и предохранительным клапаном, а также на выпускном трубопроводе. При выборе предохранительного клапана, предназначенного для установки на паропроводе, необходимо исходить из расчета, что пропускной способности будет достаточно, если она будет составлять 100 % от всего возможного расхода пара плюс 20 % запаса. Давление срабатывания дожно быть не ниже 1,1 от рабочего давления во избежание преждевременного износа вследствие частого срабатывания.

Запорная арматура При выборе типа запорной арматуры прежде всего необходимо учитывать высокую скорость пара. Если европейские производители парового оборудования рекомендуют выбирать диаметр паропровода таким образом, чтобы скорость пара была 15-40 м/с, то в России рекомендуемая скорость пара зачастую может достигать 60 м/с. Перед закрытой арматурой всегда образуется конденсатная пробка. При резком открытии арматуры существует высокая вероятность возникновения гидроудара. В связи с этим крайне нежелательно в качестве запорной арматуры на паропроводе использовать шаровые краны. Перед использованием как запорной, так и регулирующей арматуры на вновь смонтированном трубопроводе необходимо предварительно продуть трубопровод во избежание повреждения седловой части арматуры окалиной и шлаком.

Паропровод - трубопровод для транспортировки пара.

Паропроводы монтируется на объектах:
1. предприятиях, использующих пар для технологического пароснабжения (паро-конденсатные системы на заводах железобетонных изделий, паро-конденсатные системы на рыбо-перерабатывающих предприятиях, паро-конденсатные системы на молочных заводах, паро-конденсатные системы на мясоперерабатывающих заводах, паро-конденсатные системы на заводах фармацевтической промышленности, паро-конденсатные системы на заводах по производству косметики, паро-конденсатные системы на фабриках прачечных)
2. в системах парового отопления заводов и промышленных предприятий. Применялось в прошлом но сих пор на многих предприятиях используется. Как правило заводские котельные строились по типовым чертежам с применением котлов ДКВР для технологического пароснабжения и отопления. В настоящее время даже на тех предприятиях и заводах где потребность в технологическом паре стала отсутствовать, отопление так и осуществляется паром. В ряде случаев неэффективно без возврата конденста.
3. на тепловых электростанциях для подачи пара на турбины пара для выработки электроэнергии.

Паропроводы служат для передачи пара от котельной (паровых котлов и парогенераторов) к потребителям пара.

Основными элементами паропровода являются:
1.стальные трубы
2. соединительные элементы (отводы, отводы, фланцы, компенсаторы теплового удлинения)
3.запорная и запорно-регулирующая арматура (задвижки, вентили, клапаны)
4. арматура для удаления конденсата из паропроводов - конденсатоотводчики, сепараторы,
5.Устройства для снижения давления пара до необходимого значения - регуляторы давления
6. Механические фильтры-грязевики со сменными фильтрующими элементами для очистки пара перед редукционными клапанами.
7.элементы крепления - скользящие опоры и неподвижные опоры, подвески и крепления,
8. тепловая изоляция паропроводов – используется температуростойкая базальтовая минеральная вата Роквул или Парок, также применяется асбестовый пухшнур.
9.контрольно-измерительные приборы (КИП) – манометры и термометры.

Требования к проектированию, конструкции, материалам, изготовлению, монтажу, ремонту и эксплуатации паропроводов регламентированы нормативными документами.
-На трубопроводы, транспортирующие водяной пар с рабочим давлением более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» (ПБ 10-573-03).
-Расчет на прочность таких паропроводов производится в соответствии с «Нормами расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды» (РД 10-249-98).

Трассировка паропроводов производится с учётом технической возможности прокладки по наиболее короткому пути прокладки для минимизации потерь тепла и энергии из-за длины прокладки и аэродинамического сопротивления парового тракта.
Соединение элементов паропроводов производится сварочными соединениями. Установка фланцев при монтаже паропроводов допускаются только для соединения паропроводов с арматурой.

Опоры и подвески паропроводов могут быть подвижными и неподвижными. Между соседними неподвижными опорами на прямом участке устанавливают лирообразные или П-образные компенсаторы], которые снижают последствия деформации паропровода под воздействием нагрева (1 м паропровода удлиняется в среднем на 1,2 мм при нагреве на 100°).
Паропроводы монтируются с уклоном и в нижних точках устанавливают конденсато-отводчики, для отвода конденсата, образующегося в трубах. Горизонтальные участки паропровода должны иметь уклон не менее 0,004 На входе паропроводов в цеха, на выходе паропроводов из котельных, перед паро-потребляющим оборудованием устанавливают сепараторы пара в комплекте с конденсато-отводчиками.
Все элементы паропроводов должны быть покрыты теплоизолированы. Тепловая изоляция защищает персонал от ожогов. Тепловая изоляция предотвращает избыточное появление конденсата.
Паропроводы являются опасным производственным объектом и должны быть зарегистрированы в специализированных регистрирующих и надзорных органах (в России - территориальном управлении Ростехнадзора). Разрешение на эксплуатацию вновь смонтированных паропроводов выдается после их регистрации и технического освидетельствования.

Толщина стенки паропровода по условию прочностии должна быть не менее где
P - расчетное давление пара,
D - наружный диаметр паропровода,
φ - расчетный коэффициент прочности с учётом сварных швов и ослабления сечения,
σ - допускаемое напряжение в металле паропровода при расчетной температуре пара.

Диаметр паропровода, как правило, определяют исходя из максимальных часовых расходов пара и допускаемых потерь давления и температур методом скоростей или методом падения давления. Метод скоростей.
Задавшись скоростью протекания пара в трубопроводе, определяют его внутренний диаметр из уравнения массового расхода, например, по выражению:
D= 1000 √ , мм
Где G-массовый расход пара, т/час;
W-скорость пара, м/с;
ρ- плотность пара, кг/м3.

Выбор скорости пара в паропроводах имеет важное значение.
Согласно СНиП 2-35-76 скорости пара рекомендуются не более:
-для насыщенного пара 30 м/с (при диаметре труб до 200 мм) и 60 м/с (при диаметре труб свыше 200 мм),
-для перегретого пара 40 м/с (при диаметре труб до 200 мм) и 70 м/с (при диаметре труб свыше 200 мм).

Заводы по производству парового оборудования рекомендуют при выборе диаметра паропровода скорость пара принимать в пределах 15-40 м/с. Поставщики паро-водяных теплообменников со смешением рекомендуют принимать максимальную скорость пара 50 м/с.
Существует так же метод падения давления, основанный на расчете потерь давления, вызванный гидравлическими сопротивлениями паропровода. Для оптимизации выбора диаметра паропровода целесообразно также выполнить оценку падения температуры пара в паропроводе с учетом применяемой теплоизоляции. В этом случае появляется возможность выбора оптимального диаметра по отношению падения давления пара к уменьшению его температуры на единице длины паропровода (существует мнение, что оптимально если dP/dT=0,8…1,2).
Правильный выбор парового котла и давления пара которое он обеспечивает, выбор конфигурации и диметров паропроводов, парового оборудования по классу и по производителям, это составляющие хорошей работы паро-конденсатной системы в дальнейшем.

Формула расчета выглядит следующим образом:

где:
D - диаметр трубопровода, мм

Q - расход, м3/ч

v - допустимая скорость потока в м/с

Удельный объем насыщенного пара при давлении 10 бар равен 0,194 м3/кг, это означает, что объемный расход 1000 кг/ч насыщенного пара при 10 бар будет составлять 1000х0,194=194 м3/ч. Удельный объем перегретого пара при 10 бар и температуре 300°С равен 0,2579 м3/кг, а объемный расход при том же количестве пара уже будет составлять 258 м3/ч. Таким образом можно утверждать, что один и тот же трубопровод не подойдет для транспортировки и насыщенного, и перегретого пара.

Приведем несколько примеров расчетов трубопроводов для разных сред:

1. Среда - вода. Сделаем расчет при объемном расходе - 120 м3/ч и скорости потока v=2 м/с.
D= =146 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 150.

2. Среда - насыщенный пар. Сделаем расчет для следующих параметров: объемный расход - 2000 кг/ч, давление - 10 бар при скорости потока - 15 м/с. В соответствии с удельный объем насыщенного пара при давлении 10 бар равен 0,194 м3/ч.
D= = 96 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 100.

3. Среда - перегретый пар. Сделаем расчет для следующих параметров: объемный расход - 2000 кг/ч, давление - 10 бар при скорости потока 15 м/с. Удельный объем перегретого пара при заданном давлении и температуре, например, 250°С, равен 0,2326 м3/ч.
D= =105 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 125.

4. Среда - конденсат. В данном случае расчет диаметра трубопровода (конденсатопровода) имеет особенность, которую необходимо учитывать при расчетах, а именно: необходимо принимать во внимание долю пара от разгрузки. Конденсат, проходя через конденсатоотводчик, и попадая в конденсатопровод, разгружается (то есть конденсируется) в нем.
Доля пара от разгрузки определяется по следующей формуле:
Доля пара от разгрузки =, где

h1 - энтальпия конденсата перед конденсатоотводчиком;
h2 - энтальпия конденсата в конденсатной сети при соответствующем давлении;
r - теплота парообразования при соответствующем давлении в конденсатной сети.
По упрощенной формуле доля пара от разгрузки определяется, как разность температур до и после конденсатоотводчика х 0,2.

Формула расчета диаметра коденсатопровода будет выглядеть так:

D= , где
ДР - доля от разгрузки конденсата
Q - количество конденсата, кг/ч
v” - удельный объем, м3/кг
Проведем расчет конденсатопровода для следующих исходных значений: расход пара - 2000 кг/ч с давлением - 12 бар (энтальпия h’=798 кДж/кг), разгруженного до давления 6 бар (энтальпия h’=670 кДж/кг, удельный объем v”=0.316 м3/кг и теплота конденсирования r=2085 кДж/кг), скорость потока 10 м/с.

Доля пара от разгрузки = = 6,14 %
Количество разгруженного пара будет равно: 2000 х 0,0614=123 кг/ч или
123х0,316= 39 м3/ч

D= = 37 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 40.

ДОПУСТИМАЯ СКОРОСТЬ ПОТОКА

Показатель скорости потока - не менее важный показатель при расчете трубопроводов. При определении скорости потока необходимо учитывать следующие факторы:

Потери давления. При высокой скорости потока можно выбрать меньший диаметр трубопроводов, однако при этом происходит значительная потеря давления.

Стоимость трубопроводов. Низкая скорость потока приведет к выбору большего диаметра трубопроводов.

Шум. Высокая скорость потока сопровождается увеличенным шумовым эффектом.

Износ. Высокая скорость потока (особенно в случае конденсата) приводит к эрозии трубопроводов.

Как правило, основной причиной возникновения проблем с отведением конденсата является именно заниженный диаметр трубопроводов и неверный подбор конденсатоотводчиков.

После конденсатоотводчика частички конденсата, двигаясь по трубопроводу со скоростью пара от разгрузки, достигают поворота, ударяются о стенку поворотного отвода, и скапливаются в месте поворота. После этого с высокой скоростью выталкиваются вдоль трубопроводов, приводя к их эрозии. Опыт показывает, что 75% протечек в конденсатопроводах происходит в трубных коленах.

Чтобы снизить вероятное возникновение эрозии и ее негативное воздействие, необходимо для систем с поплавковыми конденсатоотводчиками для расчета принимать скорость потока около 10 м/с, а для систем с другими типами конденсатоотводчиков - 6 -8 м/с. При расчетах конденсатопроводов, в которых отсутствует пар от разгрузки, очень важно делать расчеты, как для водопроводов со скоростью потока 1,5 - 2 м/с, а в остальных учитывать долю пара от разгрузки.

В таблице ниже приведены нормы скорости потока для некоторых сред:

Среда	Параметры	Скорость потока м/с
Пар	до 3 бар	10-15
	3 -10 бар	15-20
	10 - 40 бар	20-40
Конденсат	Трубопровод, заполненный конденсатом
	Конденсато -паровая смесь	6-10
Питательная вода	Линия всасывания	0,5-1
	Трубопровод подачи

А. А. Филоненко , директор ЧТСУП «Стим-систем»

Цикл статей ориентирован на техническую поддержку специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией паросилового хозяйства. Первые две публикации посвящены основным понятиям, связанным с широко применяемым на предприятиях и в энергетике водяным паром, его свойствам и их влиянию на работу паровых систем («ЭиМ» № 3) и вопросам отведения конденсата из паровых спутников (ЭиМ № 4–5).

Системы распределения пара соединяют котлы со всевозможным паропотребляющим оборудованием предприятия.

Основными компонентами этих систем являются паровые коллекторы котлов, главные паропроводы, распределительные коллекторы и трубопроводы разводки пара. Каждый из них выполняет определённые функции, присущие этой системе, и совместно с сепараторами и конденсатоотводчиками способствуют эффективному использованию пара.

Колена-отстойники

Общим требованием для всех систем распределения пара является необходимость устройства через различные интервалы по длине паропровода колен отстойников (рис. 1). Они предназначены для:

1. стекания конденсата самотёком из пара, движущегося с высокой скоростью;
2. накапливания конденсата до тех пор, пока перепад давления не протолкнёт его через конденсатоотводчик.

Для того чтобы конденсат улавливался коленомотстойником, нужно правильно подобрать его размер. Слишком малый диаметр колена-отстойника может вызвать эффект инжекции, когда падение давления из-за высокой скорости пара вытягивает в паропровод конденсат из конденсатоотводчика.

На рис. 1 показаны принцип работы колена-отстойника и его стандартная схема, в табл. 1 — рекомендуемые размеры колен-отстойников для паропроводов.

Рис. 1 . Колено-отстойник (а — принцип работы; б — схема для выбора размера колена-отстойника по табл. 1)

Диаметр паропровода D, мм	Диаметр колена-отстойника D1, мм	Минимальная длина колена-отстойника L, мм
		Разогрев под наблюдением	Автоматический разогрев *
15	15	250	710
20	20	250	710
25	25	250	710
50	50	250	710
80	80	250	710
100	100	250	710
150	100	250	710
200	100	300	710
250	150	380	710
300	150	460	710
350	200	535	710
400	200	610	710
450	250	685	710
500	250	760	760
600	300	915	915

* Под автоматическим разогревом следует понимать разогрев паропровода, при котором дренаж конденсата происходит через конденсатоотводчики в линию возврата конденсата, а не через спускные штуцера в атмосферу. При этом также необходимо наблюдение за процессом разогрева паропровода

Если пар подаётся в среднюю точку коллектора или коллектор не имеет уклона, то рекомендуется устраивать колена-отстойники по обе стороны коллектора с конденсатоотводчиками, имеющими суммарную пропускную способность, равную рассчитанной. При диаметре коллектора до 100 мм диаметр коленаотстойника D1 должен быть равен диаметру коллектора. При диаметре коллектора более 100 мм диаметр колена-отстойника D1 должен быть равен половине диаметра коллектора, но не менее 100 мм.

Пуск паровых сетей состоит из следующих операций:

• прогрева и продувки паропроводов;
• заполнения и промывки конденсатопроводов;
• подключения потребителей.

Перед началом прогрева все задвижки на ответвлениях от прогреваемого участка плотно закрываются. Вначале прогревается магистраль, а затем поочередно ответвления от неё. Небольшие малоразветвлённые паропроводы можно прогревать одновременно по всей сети.

При возникновении гидравлических ударов подача пара немедленно сокращается, а при частых и сильных ударах — прекращается полностью впредь до полного удаления из прогреваемого участка паропровода скопившегося в нём конденсата.

Паровые коллекторы

Главный коллектор котельной — это особый вид паропровода, который может принимать пар от одного или более котлов. Чаще всего он представляет собой горизонтальную трубу большого диаметра, которая заполняется паром сверху и в свою очередь питает паром главные паропроводы. Особенно важен тщательный дренаж коллектора, чтобы любой вынос котловой воды и твёрдых частиц удалялся до распределения пара по системе. Конденсатоотводчики, предназначенные для коллектора, должны обладать способностью выводить крупные порции выносимых паром скоплений сразу же после их образования. При выборе конденсатоотводчиков нужно принимать во внимание также степень их устойчивости к гидравлическим ударам.

Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для коллекторов котла (только для насыщенного пара)

Требуемую пропускную способность конденсатоотводчиков, устанавливаемых на коллекторах котлов, практически всегда определяют как величину ожидаемого выноса котловой воды (10 % от присоединённой к коллектору нагрузки), умноженную на коэффициент запаса 1,5.

Например, к коллектору присоединены два котла общей паропроизводительностью 20 000 кг/ч. Тогда на коллектор необходимо установить конденсатоотводчик с пропускной способностью 20 000 . 10 % . 1,5 = 3000 кг/ч.

Наиболее подходящими для этих условий являются конденсатоотводчики с опрокинутым поплавком, которые способны немедленно срабатывать при залповых поступлениях конденсата, устойчивы к гидроударам, справляются с загрязнениями, сохраняют экономичность при очень малых нагрузках.

Установка конденсатоотводчиков

Если поток пара через коллектор идёт только в одном направлении, то достаточно установить один конденсатоотводчик вблизи выхода. При питании паром через среднюю точку (рис. 2) или при схожей организации двухстороннего потока пара конденсатоотводчики должны устанавливаться на каждом конце коллектора.

Рис. 2 . Коллектор котла разнонаправленными потоками пара (для коллектора с DN < 100 мм, DN колена-отстойника такой же, как у коллектора; для коллектора с DN > 100 мм, DN колена-отстойника должен быть равен 0,5DN коллектора, но не менее 100 мм)

Главные паропроводы

Чтобы обеспечить нормальную работу оборудования, питаемого по этим паропроводам, в них не должно быть ни воздуха, ни конденсата. Неполный отвод конденсата из главных паропроводов часто приводит к гидроударам и образованию пролетающих скоплений конденсата, которые могут повредить трубопроводную арматуру и другое оборудование.

Кроме того, из-за наличия конденсата в паропроводе уменьшается сухость пара, что приводит к его перерасходу.

В процессе охлаждения конденсат, находящийся в паропроводе, активно поглощает углекислый газ, превращаясь в угольную кислоту, которая приводит к ускоренной коррозии трубопроводов, арматуры и теплообменных аппаратов.

Есть два общепринятых способа разогрева главных паропроводов — контролируемый и автоматический.

Контролируемый разогрев широко применяется для первичного нагрева паропроводов большого диаметра и (или) большой протяжённости. Этот способ заключается в том, что спускные клапаны полностью открывают для свободной продувки в атмосферу до тех пор, пока в паропровод не начнёт поступать пар. Клапаны не закрывают до тех пор, пока весь конденсат (или большая его часть), образующийся при разогреве, не будет удалён. После выхода на рабочий режим удаление конденсата берут на себя конденсатоотводчики. При автоматическом режиме котёл разогревается таким образом, что паропроводы и всё оборудование или отдельные его виды постепенно набирают давление и температуру без помощи ручного управления или контроля в соответствии с заданным режимом разогрева.

Предостережение! Независимо от способа разогрева скорость подъёма температуры металла должна определяться регламентом пуска, чтобы минимизировать тепловые напряжения и предотвратить другие повреждения в системе.

Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для главных паропроводов (только насыщенный пар)

Расход конденсата в изолированном или неизолированном трубопроводах при контролируемом или автоматическом методах прогрева может вычисляться по формуле:

где G K — количество конденсата, кг/ч ;

W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);

L 1 — полная длина паропровода, м ;

с — удельная теплоёмкость материала трубопровода (для стали — 0,12 ккал/(кг.°С) );

t 1 — начальная температура, °С ;

t 2 — конечная температура, °С ;

r — cкрытая теплота парообразования, ккал/кг (по таблице свойств пара );

h — время разогрева, мин .

Таблица 2 . Характеристики труб для расчета потерь в окружающую среду

Диаметр трубопровода, дюйм	Диаметр трубопровода, мм	Наружный диаметр, мм	Наружная поверхность, м 2 /м	Веc, кг/м
1/8	6	10,2	0,03	0,49
1/4	8	13,5	0,04	0,77
3/8	10	17,2	0,05	1,02
1/2	15	21,3	0,07	1,45
3/4	20	26,9	0,09	1,90
1	25	33,7	0,11	2,97
1,25	32	42,4	0,13	3,84
1,5	40	48,3	0,15	4,43
2	50	60,3	0,19	6,17
2,5	65	76,1	0,24	7,90
3	80	88,9	0,28	10,10
4	100	114,3	0,36	14,40
5	125	139,7	0,44	17,80
6	150	165,1	0,52	21,20
8	200	219,0	0,69	31,00
10	250	273,0	0,86	41,60
12	300	324,0	1,02	55,60
14	350	355,0	1,12	68,30
16	400	406,0	1,28	85,90
20	500	508,0	1,60	135,00

Для быстрого определения расхода конденсата во время разогрева главного паропровода можно использовать диаграмму на рис. 3. Найденную величину расхода следует умножить на 2 (рекомендуемый коэффициент запаса для всех конденсатоотводчиков, расположенных между котлом и концом паропровода). Для конденсатоотводчиков, установленных у конца паропровода или перед регулирующими и запорными клапанами, которые часть времени находятся в закрытом положении, следует принимать коэффициент запаса 3. Рекомендуется конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком, так как он может выводить загрязнения, залповые выбросы конденсата и противостоять гидравлическим ударам. Если даже он откажет, то обычно остаётся в открытом положении.

Рис. 3 . Диаграмма для определения количества конденсата, образующегося в трубе длиной 20 м при её нагреве от 0 °С до температуры насыщения пара

Расход конденсата при нормальной эксплуатации паропровода (после разогрева) определяется по табл. 3.

Таблица 3 . Скорость образования конденсата в паропроводах при нормальной эксплуатации, кг/час/м 2

Установка

Независимо от способа разогрева колена-отстойники и конденсатоотводчики нужно устанавливать в самых низких точках и в местах естественного дренажа, например:

• перед восходящими стояками;
• в конце главных паропроводов;
• перед компенсаторами и коленами;
• перед регулирующими клапанами и регуляторами.

На рис. 4, 5 и 6 показаны примеры организации дренажей главных паропроводов.

Отводы от главных паропроводов

Отводы от главных паропроводов — это ответвления главного паропровода, подводящие пар к паропотребляющему оборудованию. Система этих трубопроводов должна быть спроектирована и обвязана так, чтобы предотвратить скопление конденсата в любой её точке.

Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса

Расход конденсата определяется по такой же формуле, что и для главных паропроводов. Рекомендуемый коэффициент запаса для отводов главных паропроводов — 2.

Установка

На рис. 7, 8 и 9 показаны соответственно рекомендуемые схемы обвязки отвода от главного паропровода до управляющего клапана при его длине до 3 м, более 3 м и в случае, когда управляющий клапан расположен ниже уровня главного паропровода.

Перед каждым регулирующим клапаном, а также перед регулятором давления, если он имеется, следует установить полнопроходной фильтр-грязевик. На фильтре надо установить продувочный клапан, а также конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Через несколько дней после пуска системы проверьте сетку фильтра, чтобы решить, нужна ли в этом месте очистка от загрязнений.

Рис. 7 . Обвязка отвода длиной менее 3 м. Если имеется обратный уклон в сторону коллектора питания не менее 50 мм на 1 м, то установка конденсатоотводчика не обязательна	Рис. 8 . Обвязка отвода длиной более 3 м. Перед управляющим клапаном нужно установить колено-отстойник и конденсатоотводчик. Отстойником может служить фильтр, если его продувочную трубку замкнуть на конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Конденсатоотводчик должен быть снабжён встроенным обратным клапаном	Рис. 9 . Независимо от длины отвода колено-отстойник и конденсатоотводчик следует устанавливать перед управляющим клапаном, расположенным ниже питающего паропровода. Если змеевик (потребитель) находится выше управляющего клапана, то конденсатоотводчик следует установить также и со стороны выхода управляющего клапана

Сепараторы

Сепараторы пара предназначены для выпуска всего конденсата, который образуется в распределительных системах. Чаще всего они применяются перед оборудованием, для которого повышенная сухость пара имеет большое значение. Принято считать полезным их установку на паропроводах вторичного пара.

Рис. 10 . Дренаж сепаратора. Для полного и быстрого стекания конденсата в конденсатоотводчик нужны полнопроходные колено-отстойник и грязевик

Отвод конденсата из паропроводов перегретого пара

Казалось бы, что если в паропроводах перегретого пара конденсат не образуется, то его там нет. Это действительно так, но только в случае, когда температура и давление в паропроводе вышли на рабочие параметры. До этого момента конденсат необходимо удалять.

Свойства и особенности применения перегретого пара

Удельная теплоёмкость вещества — это количество теплоты, требуемое для увеличения температуры 1 кг на 1 °С. Удельная теплоёмкость воды равна 1 ккал.°С, но удельная теплоёмкость перегретого пара зависит от его температуры и давления. Она уменьшается при увеличении температуры и повышается при повышении давления.

Обычно перегретый пар производится в дополнительных секциях трубок, установленных внутри котла, или в зоне выхода дымовых газов, чтобы использовать «теряемую» теплоту котла, а также в пароперегревателе, который устанавливается после котла и соединяется с паропроводом. Принципиальная схема котла с пароперегревателем представлена на рис. 11.

Рис. 11 . Схема энергетической установки с пароперегревателем

Перегретый пар обладает свойствами, которые делают его неудобным теплоносителем для процесса теплообмена и в то же время идеальным для выполнения механической работы и переноса массы, то есть для транспортирования. В отличие от насыщенного пара давление и температура перегретого пара не связаны между собой. Когда перегретый пар производят при таком же давлении, что и насыщенный, его температура и удельный объём увеличиваются.

В котлах с высокой производительностью и относительно малыми барабанами отделение пара от воды является чрезвычайно трудным процессом. Сочетание небольшого количества воды в барабанах и быстрых изменений расхода пара вызывает резкое уменьшение объёма и образование пузырей пара, что приводит к выносу котловой воды. Её можно отвести при помощи сепараторов с конденсатоотводчиками на выходах пара из парогенератора, но это не даёт 100-процентного результата. Поэтому там, где необходим сухой пар, в топке устанавливают дополнительные конвективные пучки трубок. Чтобы испарить вынос воды, к пару добавляется некоторое количество теплоты, создающей небольшой перегрев, гарантирующий получение абсолютно сухого пара.

Так как перегретый пар, возвращаясь в состояние насыщенного, отдаёт очень мало теплоты, он не является хорошим теплоносителем для процесса теплообмена. Однако для некоторых процессов, например, на электростанциях, сухой пар необходим для выполнения механической работы. Независимо от типа энергетической установки перегретый пар уменьшает количество конденсата при её запуске из холодного состояния. Перегрев также повышает производительность этих установок за счёт отсутствия конденсации на ступенях расширения. Сухой пар на выходе энергетической установки увеличивает срок службы лопаток турбины.

В отличие от насыщенного пара, теряя теплоту, перегретый пар не конденсируется, поэтому может транспортироваться по очень длинным паропроводам без существенных потерь теплосодержания на образование конденсата.

Почему нужен дренаж систем перегретого пара?

Основной причиной установки конденсатоотводчиков в системах перегретого пара является образование пусковых расходов конденсата. Они могут быть очень значительными из-за больших размеров главных паропроводов. Во время пуска, скорее всего, будут использоваться ручные спускные клапаны дренажей, так как имеется достаточно времени, чтобы их открыть и закрыть. Этот процесс называется контролируемым разогревом. Другой причиной установки конденсатоотводчиков являются неотложные ситуации, такие как потеря теплоты перегрева или отвод пара по байпасу, когда может потребоваться их срабатывание на насыщенном паре. При этих нештатных ситуациях нет времени на открытие клапанов вручную, поэтому необходимы конденсатоотводчики.

Определение расхода конденсата для конденсатоотводчиков паропроводов перегретого пара

Расход конденсата через конденсатоотводчик паропровода перегретого пара варьируется в широких пределах: от максимального при пуске до отсутствия расхода в рабочем режиме. Следовательно, это и есть те требования, которые должны предъявляться к конденсатоотводчикам любого типа.

Во время пуска очень большие паропроводы заполняются паром в холодном состоянии. На этом этапе в них будет находиться только насыщенный пар при низком давлении, пока температура паропровода не повысится. Её повышают постепенно, длительное время, чтобы не подвергать металл паропроводов резким напряжениям. Большой расход конденсата в сочетании с низким давлением — это начальные условия, требующие применения конденсатоотводчиков с большой пропускной способностью. Затем при эксплуатации паропроводов на перегретом паре требуется, чтобы эти конденсатоотводчики с завышенной пропускной способностью работали при очень высоком давлении и очень малых расходах.

Характерные пусковые расходы конденсата можно приблизительно рассчитать по формуле:

где W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);

r — скрытая теплота парообразования, ккал/кг ;

i — энтальпия перегретого пара при среднем давлении и температуре за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;

i ” — энтальпия насыщенного пара при среднем давлении за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;

0,12 — удельная теплоёмкость стальной трубы, ккал/(кг.°С) .

Пример

Исходные данные

Требуется разогреть паропровод диаметром 200 мм с температуры окружающего воздуха 21 °С до температуры 577 °С при среднем давлении за последний 2-часовой период 8,3 кг/см 2 изб. за 11 часов. Расстояние между дренажными узлами 60 м. Масса трубы по табл. 2 составляет 31 кг/м. Таким образом, масса трубы длиной 60 м составит 1860 кг.

Разогрев происходил по графику, указанному в табл. 4.

Таблица 4 . Режим разогрева паропроводов перегретого пара

Период времени, ч	Среднее давление, кг/см 2 изб.	Температура в конце временного периода,°С	Энтальпия насыщенного пара I " , ккал/кг	Скрытая теплота паро- образования r, ккал/кг	Энтальпия перегретого пара i, ккал/кг	Количество конденсата, кг/ч
С 0 до 2	0,46	121	643,1	532,1	652,6	42,7
С 2 до 4	0,97	221	646,3	526,4	695	46,7
С 4 до 6	4,9	321	658,3	498,9	741,7	53,7
С 6 до 8	8,3	421	662,7	484,2	790,5	62,6
С 8 до 11	8,3	577	662,7	484,2	868,1	124,9

Для первых двух часов разогрева:

Для вторых двух часов:

Аналогично рассчитываются расходы пара для других периодов времени.

Чтобы эффективно выводить конденсат из паропроводов перегретого пара, нужно при установке конденсатоотводчиков правильно выбирать размеры колен-отстойников, а также учитывать рекомендации по их обвязке.

Возникает вопрос, нужна ли теплоизоляция колен-отстойников, патрубков конденсатоотводчиков и самих конденсатоотводчиков? Ответ — нет. Если изоляция не является обязательным требованием безопасности, эту часть паровой системы не нужно изолировать. Тогда немного конденсата будет непрерывно формироваться перед конденсатоотводчиком и проходить через него, продлевая срок его службы.

Типы конденсатоотводчиков для перегретого пара

Биметаллические

Биметаллический конденсатоотводчик настроен так, чтобы не открываться, пока конденсат не охладится до температуры ниже температуры насыщения. При данном давлении конденсатоотводчик останется закрытым до тех пор, пока в нём находится пар любой температуры. Когда температура пара повышается, тянущая сила биметаллических пластин увеличивается, повышая усилие уплотнения клапана. Перегретый пар стремится ещё больше увеличить это усилие. Биметаллический конденсатоотводчик хорошо работает при больших пусковых нагрузках и по этой причине является хорошим выбором для перегретого пара.

Во время работы на перегретом паре конденсатоотводчик может открыться, если конденсат в нём охладится ниже температуры насыщения. Если диаметр и длина колена-отстойника перед конденсатоотводчиком не будут соответствующими, то конденсат может пойти обратно в паропровод, вызывая его повреждение, а также трубопроводной арматуры и другого оборудования.

С опрокинутым поплавком

Гидрозатвор в конденсатоотводчике препятствует доступу пара к выпускному клапану, предотвращая утечку пара и обеспечивая продолжительный срок службы конденсатоотводчика. Выпускной клапан в верхней части делает его непроницаемым для посторонних частиц, но позволяет выводить воздух. Он справляется с большими пусковыми расходами и может приспособиться к малым рабочим расходам. Имеющиеся затруднения, связанные с его использованием на перегретом паре, относятся к необходимости сохранять гидрозатвор или производить заправку водой. Для этого необходимо применять конденсатоотводчики, разработанные специально для систем перегретого пара, и следить за их правильной обвязкой.

Правильная обвязка конденсатоотводчика с опрокинутым поплавком для перегретого пара показана на рис. 6. Определяя пропускную способность конденсатоотводчика для перегретого пара, следует рассчитывать её на пусковой расход без применения коэффициента запаса. Материалы корпуса должны выбираться исходя из максимального давления и температуры, включая перегрев.

Литература

1. Вукалович М. П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы «МАШГИЗ», 1955.
2. Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике // Энергия и Менеджмент. — № 3. — 2013. — С. 22–25.
3. Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике (продолжение) // Энергия и Менеджмент. — № 4–5. — 2013. — С. 66–68.

Потеря давления в трубопроводе, кроме прочего, зависит от расхода скорости потока и вязкости среды протекания. Чем больше количество пара, проходящего через трубопровод определённого номинального диаметра, тем выше трение о стенки трубопровода. Иными словами, чем выше скорость пара, тем выше сопротивление или потери давления в трубопроводе.

На сколько высоки могут быть потери давления определяется назначением пара. Если перегретый пар подается через трубопровод к паровой турбине, то потери давления должны быть по возможности минимальными. Такие трубопроводы значительно дороже обычных, причём больший диаметр, в свою очередь, приводит к значительно большим затратам. Инвестиционный расчёт основывается на времени возврата (срок окупаемости) инвестиционного капитала в сравнении с прибылью от работы турбины.

Этот расчёт должен основываться не на средней нагрузке турбины, а исключительно на ее пиковой нагрузке. Если, например, в течении 15 минут набрасывается пиковая нагрузка в 1000 кг пара, то трубопровод должен иметь пропускную способность 60/15x 1000 = 4000 кг/ч.

Расчёт

В главе далее - Работа с конденсатом, поясняется методика расчёт диаметра конденсатопроводов. В расчётах паро- воздухо- и водопроводов действуют примерно те же исходные принципы. В завершении этой темы в этом разделе будут приведены расчеты для определения диаметра паро- воздухо- и водопроводов.

В расчётах диаметров в качестве основной применяется формула:

Q = расход пара, воздуха и воды в м 3 /с.

D = диаметр трубопровода в м.

v = допустимая скорость потока в м/с.

D = диаметр конденсатопровода в мм.

Q = расход в м 3 /ч.

V = допустимая скорость потока в м/с.

Расчет трубопроводов всегда ведется по объёмному расходу (м 3 /ч), а не по массовому (кг/ч). Если известен только массовый расход, то для пересчёта кг/ч в м 3 /ч необходимо учитывать удельный объём по таблице пара.

Удельный объем насыщенного пара при давлении 11 бар составляет 0,1747 м 3 /кг. Таким образом, объемный расход от 1000 кг/ч насыщенного пара при 11 бар будет составлять 1000 * 0,1747 = 174,7 м 3 /ч. Если речь будет идти о таком же количестве перегретого пара при давлении 11 бар и 300 °С, то удельный объём составит 0,2337 м 3 /кг, а объемный расход 233,7 м 3 /ч. Таким образом это означает, что один и тот же паропровод не может одинаково подходить для транспорта одного количества насыщенного и перегретого пара.

Также для случая воздуха и других газов расчет необходимо повторить с учетом давления. Производители компрессорного оборудования указывают производительность компрессоров в м 3 /ч, под которым понимается объем в м 3 при температуре 0 °С.

Если производительность компрессора 600 мп 3 /ч и давление воздуха 6 бар, то объемный расход составляет 600/6 = 100 м 3 /ч. в этом также заключается основа расчета трубопроводов.

Допустимая скорость потока

Допустимая скорость потока в системе трубопроводов зависит от многих факторов.

• стоимость установки: низкая скорость потока приводит к выбору большего диаметра.
• потеря давления: высокая скорость потока позволяет выбрать меньший диаметр, однако вызывает большую потерю давления.
• износ: особенно в случае конденсата высокая скорость потока приводит к повышенной эрозии.
• шум: высокая скорость потока увеличивает шумовую нагрузку, напр. Паровой редукционный клапан.

В ниже приведенной таблице представлены данные норм относительно скорости потока для некоторых сред протекания.

	Назначение	Скорость потока в м/с
Конденсат	Заполненный конденсатом
	Конденсато-паровая смесь
Питательная вода	Трубопровод всаса
	Трубопровод подачи
	Питьевого качества
	Охлаждение
	Воздух под давлением
* Трубопровод всаса насоса питательной воды: из-за низкой скорости потока низкая потеря давления, что препятствует образованию пузырьков пара на всасе питательного насоса.

Расчет диаметра трубопровода для воды при 100 м 3 /ч и скорости потока v = 2 м/с.

D = √ 354*100/2 = 133 мм. Выбранный номинальный диаметр DN 125 или DN 150.

b) Воздух под давлением

расчет диаметра трубопровода для воздуха при 600 м 3 /ч, давление 5 бар и скорости потока 8 м/с.

Перерасчет с нормального расхода 600 м 3 /ч на рабочий м 3 /ч 600/5 = 120 м 3 /ч.

D = √ 354*120/8 = 72 мм. Выбранный номинальный диаметр DN 65 или DN 80.

В зависимости от назначения воды или воздуха выбирается трубопровод DN 65 или DN 80. Необходимо иметь ввиду, что расчет диаметра трубопровода усреднен и не предусматривает случая наступления пиковой нагрузки.

c) Насыщенный пар

Расчет диаметра трубопровода для насыщенного пара при 1500 кг/ч, давлении 16 бар и скорости потока 15 м/с.

В соответствии с таблицей пара удельный объем насыщенного пара при давлении 16 бар составляет v = 0,1237 м 3 /кг.

D = √ 354*1500*0,1237/15 = 66 мм.

И здесь должен быть решен вопрос DN 65 или DN 80 в зависимости от возможной пиковой нагрузки. В случае необходимости предусматривается также возможность расширения установки в будущем.

d) Перегретый пар

Если в нашем примере пар перегреет до температуры 300 °С, то его удельный объем изменяется на v = 0,1585 м 3 /кг.

D = √ 354*1500*0,1585/15 = 75 мм, выбирается DN 80.

Изображение 4.9 в форме номограммы показывает, как можно произвести выбор трубопровода без проведения расчета. На изображении 4-10 этот процесс представлен для случая насыщенного и перегретого пара.

е) Конденсат

Если речь идёт о расчёте трубопровода для конденсата без примеси пара (от разгрузки), тогда расчёт ведётся как для воды.

Горячий конденсат после конденсатоотводчика, попадая в конденсатопровод, разгружается в нём. В главе 6.0 Работа с конденсатом поясняется, как определить долю пара от разгрузки.

Правило к проведению расчёта:

Доля пара от разгрузки = (температура перед конденсатоотводчиком минус температура пара после конденсатоотводчика) х 0,2. При расчёте конденсатопровода необходимо учитывать объём пара от разгрузки.

Объём оставшейся воды в сравнении с объёмом пара от разгрузки настолько мал, что им можно пренебречь.

Расчёт диаметра конденсатопровода на расход 1000 кг/ч сконденсированного пара 11 бар (h1 = 781 кДж/кг) и разгруженного до давления 4 бар (h" = 604 кДж/кг,v = 0,4622 м 3 /кг и r - 2133 кДж/кг).

Доля разгруженного пара составляет: 781 - 604/ 100 % = 8,3%

Количество разгруженного пара: 1000 х 0,083 = 83 кг/ч или 83 х 0,4622 -38 м 3 /ч. Объёмная доля разгруженного пара составляет около 97 %.

Диаметр трубопровода для смеси при скорости потока 8 м/с:

D = √ 354*1000*0,083*0,4622/8 = 40 мм.

Для сети атмосферного конденсата (v“ = 1,694 м 3 /кг) доля разгруженного пара составляет:

781 - 418/2258*100 % = 16 % или 160 кг/ч.

В этом случае диаметр трубопровода:

D = √ 354*1000*0,16*1,694/8 = 110 мм.

Источник : "Рекомендации по применению оборудования ARI. Практическое руководство по пару и конденсату. Требования и условия безопасной эксплуатации. Изд. ARI-Armaturen GmbH & Co. KG 2010"

Для более верного выбора оборудования можно обратиться на эл. почту: info@сайт