Определение диаметров трубопроводов и конденсатопроводов

Хотите, чтобы пароконденсатная система работала максимально эффективно, а при ее эксплуатации не было непредвиденных ситуаций? Правильно спроектируйте паропровод. Не зря промышленники уделяют столько внимания этой части системы — именно здесь часто возникают основные проблемы, приводящие к нарушению производственных процессов. Это могут быть гидроудары, образование излишков конденсата, значительные теплопотери и т.д. Важно! Чтобы минимизировать потери тепла и снизить гидравлическое сопротивление паровой магистрали, паропроводы прокладывают по наиболее короткому пути от котельной или парогенератора к потребителю.
Предупредить большинство возможных неприятностей можно, если правильно рассчитать диаметр паропровода. Как это сделать, расскажет Андрей Шахтарин, руководитель .

НАСЫЩЕННЫЙ И ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР, ОБЩИЕ ВОПРОСЫ, АСПЕКТЫ И ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА

Учет пара — непростая задача, прежде всего, из-за его высокой температуры и давления. При этом температура насыщенного и перегретого пара влияет на другие параметры измеряемой среды
Например, когда степень сухости насыщенного пара падает ниже 70%, вследствие изменения параметров рабочего процесса, среда становится двухфазной.

Причины могут быть в повреждении теплоизоляции трубопровода или в превышении требуемого размера диаметра трубы. Это ведет к снижению температуры или давления.

Еще один фактор – коррозия и накипь, которые способствуют появлению в потоке механических включений. Кроме того, вероятно возникновение термоударов и гидроударов. Следовательно, средство измерения должно быть рассчитано на высокие перегрузки. В соответствии с требованиями нормативных документов по измерению пара расходомер должен иметь возможность коррекции показаний по температуре и давлению.

Определение диаметра трубопровода

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:

, где:

Q = расход пара, воздуха и воды в м3/с.

D = диаметр трубопровода в м.

v = допустимая скорость потока в м/с.

В практике рекомендуется вести расчет по расходу в м3/ч и по диаметру трубопровода в мм. в этом случае выше приведённая формула расчёта диаметра трубопровода изменяется следующим образом:

, где:

D = диаметр конденсатопровода в мм.

Q = расход в м3/ч.

V = допустимая скорость потока в м/с.

Расчет трубопроводов всегда ведется по объёмному расходу (м3/ч), а не по массовому (кг/ч). Если известен только массовый расход, то для пересчёта кг/ч в м3/ч необходимо учитывать удельный объём по таблице пара.

Пример:

Удельный объем насыщенного пара при давлении 11 бар составляет 0,1747 м3/кг. Таким образом, объемный расход от 1000 кг/ч насыщенного пара при 11 бар будет составлять 1000 * 0,1747 = 174,7 м3/ч. Если речь будет идти о таком же количестве перегретого пара при давлении 11 бар и 300 °С, то удельный объём составит 0,2337 м3/кг, а объемный расход 233,7 м3/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 м3/ч, под которым понимается объем в м3 при температуре 0 °С.

Если производительность компрессора 600 мп3/ч и давление воздуха 6 бар, то объемный расход составляет 600/6 = 100 м3/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.

Примеры:

a) Вода

Расчет диаметра трубопровода для воды при 100 м3/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 м3/ч, давление 5 бар и скорости потока 8 м/с.

Перерасчет с нормального расхода 600 м3/ч на рабочий м3/ч 600/5 = 120 м3/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 м3/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 м3/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 м3/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 м3/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 м3/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: [email protected]

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДИКИ И НОРМАТИВЫ

При всем разнообразии существующих методов измерения, выбор расходомеров для учета пара ограничен. В данной статье предлагаем рассмотреть два основных способа – с помощью сужающих устройств и вихревых расходомеров.

Первый метод предусматривает установку в трубопроводе сужающего устройства (СУ). Преимущественно в качестве СУ используются диафрагмы, но также возможно применение сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений.

При прохождении потока через диафрагму характер его течения меняется. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница давления до диафрагмы и после неё, тем выше расход.

Давление среды, а также его перепад на сужающем устройстве измеряют методами и СИ, соответствующими требованиям ГОСТ 8.586.5. Учет пара данным методом также регламентируется ГОСТ Р 8.586.1 – 2005, в котором, в частности, прописано, что по условиям применения стандартных сужающих устройств, контролируемая среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам (п. 6.2.2), а её расход должен быть постоянным или медленно изменяющимся во времени. (п. 6.3.1)

Второй метод с помощью вихревых расходомеров основан на эффекте фон Кармана. За телом обтекания по обеим его сторонам в потоке происходит поочередное образование вихрей. Частота вихреобразования пропорциональна скорости потока. Измерив пульсацию давления, возникающего в потоке вихрей за телом обтекания, возможно узнать расход.

При учете пара вихревыми расходомерами, помимо расхода в рабочих условиях, также необходимо дополнительно измерять давление и температуру среды. Измеренные параметры поступают в тепловычислитель, который рассчитывает значение массы пара либо тепловой энергии.

Отметим, что для измерения массы насыщенного пара достаточно только одного внешнего датчика на выбор, поскольку определенное значение давления соответствует значению температуры.

Таблица температуры и давления насыщенных паров здесь

Алгоритмы расчета теплофизических свойств пара прописаны в методике Государственной службы стандартных справочных данных ГСССД МР 147-2008.

Как правило, в составе средств измерения указанные выше алгоритмы являются принадлежностью вычислителя или контроллера. Однако, применительно к вихревым расходомерам торговой марки «ЭМИС», такие алгоритмы являются составной частью программного обеспечения электронного блока вторичного преобразователя самого счетчика – расходомера.

В соответствии с данными алгори-ВИХРЬ 200» самостоятельно осуществляет коррекцию и вычисления, благодаря возможностям электронного блока с функцией вычислителя («ВВ»), предусматривающего подключение внешних датчиков давления и температуры.

Прибор рассчитывает следующие параметры: мгновенный и массовый расход пара, его плотность, энтальпию и накопленную энергию.

Таблица: Параметры алгоритмов расчета

При этом важно отметить, что при поверке функции «ВВ» расходомера в момент его выпуска из производства данная процедура должна осуществляться с применением датчика давления и температуры.

Помимо встроенных аттестованных алгоритмов, в соответствие с ГСССД, в числе преимуществ вихревых расходомеров также следующие возможности:

-удаленная передача данных, в том числе беспроводная; -цифровая фильтрация сигнала; -имитационная поверка без снятия с трубопровода; -бесплатное фирменное сервисное и диагностическое ПО «ЭМИС»-Интегратор».

Вместе с тем необходимо заметить, что при требовании или желании заказчика может поставляться узел учета тепловой энергии «ЭМИС-Эско 2210», в состав которого также будет входить вычислитель, как отдельное средство СИ.

Зачем нужен расчет паропровода

Правильный выбор диаметра трубопровода пара обеспечивает корректную и эффективную работу пароконденсатной системы в целом. Если подбирать его размеры «на глазок», можно столкнуться со следующими проблемами:

• Трубопровод пара с малым диаметром спровоцирует значительные потери давления, гораздо ниже расчетных. Повысится скорость пара, что может привести к шумам в паропроводе. Возможно увеличение количества гидроударов, которые также надо компенсировать, а значит придется дополнительно устанавливать предохранительные клапаны.
• Если сделать паропровод слишком большого диаметра, в первую очередь это приведет к повышению общей стоимости трубопровода. Кроме того, это чревато увеличенными потерями тепла в окружающую среду и образованием значительного количества конденсата, а значит потребуется больше конденсатоотводчиков, вентилей, паровых сепараторов и т.д.

Есть два способа расчета диаметра паропровода — метод падения давления и более простой метод скоростей.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПАРА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Учитывая тот факт, что зачастую значение расхода пара изменяется, в зависимости от объемов производства и других факторов, существенную роль играет диапазон измерений. У вихревого расходомера этот показатель составляет от 1:20 до 1:40. Если же в качестве средства измерения используется сужающее устройство, то в комплектации с интеллектуальными датчиками давления его динамический диапазон с приемлемой для заказчика погрешностью будет в пределах 1:10. При этом стоимость комплекса будет сопоставима с вихревыми расходомерами.

Еще один важный момент, который надо учесть, это максимальная температура пара, которая может быть от +100 до +600 градусов. Расходомеры перепада давления способны работать во всем обозначенном диапазоне, предел для вихревых расходомеров составляет +450 градусов.

При этом прибор имеет конструктивные особенности и исполнения: перфорированную стойку, которая не допускает перегрева преобразователя, а также два датчика пульсации давления, расположенных за телом обтекания по обе стороны от него без выступления в проточную часть. Эти датчики также содержат пьезоэлементы, которые преобразуют пульсации давления в электрические сигналы.

Что касается температуры окружающей среды, то для вихревых расходомеров допускается эксплуатация при -60 градусах, в то время как в неотапливаемом помещении комплексы учета на сужающем устройстве требуют повышенного внимания: обеспечения подогрева и продувки импульсных линий во избежание их замерзания.

УЗЛЫ УЧЕТА ПАРА НА БАЗЕ ДИАФРАГМЫ

В 2021 году в продуктовой линейке ожидается появление измерительных комплексов на базе сужающих устройств, в качестве которых используется диафрагма, что стало закономерным шагом в связи с запуском в 2021 году производства интеллектуальных датчиков давления «ЭМИС»-БАР». Их основная приведенная погрешность составляет от ±0,04 %, что позволяет осуществлять учет методом перепада давления с требуемой точностью.

По запросу заказчиков, готова поставлять полностью укомплектованные комплексы, включающие диафрагму, интеллектуальные датчики абсолютного и дифференциального давления «ЭМИС»-БАР», термопреобразователь, откалиброванные прямолинейные участки, фланцы, импульсные трубки, клапанные блоки, конденсационные и уравнительные сосуды и другие комплектующие для монтажа.

Узлы учета пара на базе вихревых расходомеров.

Как уже говорилось ранее, для измерения пара по требованию или желанию заказчика может поставлять измерительные комплексы «ЭМИС-Эско 2210» как средство измерения (внесены в Госреестр СИ под №72830-18), в состав которых входят: вихревой расходомер «ЭМИС»-ВИХРЬ 200», датчик давления «ЭМИС»-БАР», тепловычислитель и первичный преобразователь температуры утвержденного типа.

При использовании узла учета «ЭМИС-Эско 2210», в составе которого имеется контроллер, сохраняются ранее перечисленные преимущества вихревых расходомеров, но при этом появляются и дополнительные:

• архив глубиной не менее: часового – 60 суток, суточного – 6 месяцев, месячного– 36 месяцев;
• часы реального времени;
• соответствие Правилам коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя, утвержденным Постановлением Правительства РФ от 18.11.2013 №1034 (далее Правила).

Наилучшим подтверждением надежности измерений с использованием вихревых расходомеров является многолетний опыт эксплуатации. В частности, расходомеры «ЭМИС»-ВИХРЬ 200» уже более 10 лет безотказно выполняют задачи по учету теплоносителей на предприятии «Магнезит». В своём отзыве заказчик отмечает, что с 2010 года по настоящее время для учета перегретого пара используются три измерительных узла на базе приборов «ЭМИС»-ВИХРЬ 200». Замечаний по их работе не выявлено. В процессе эксплуатации расходомеры показали себя надежным средством измерения, полностью соответствующим заявленным производителем параметрам.

Положительные отзывы поступили от многих заказчиков, в числе которых также специалисты «Уральского электрохимического комбината», входящего в госкорпорацию «Росатом»:

«Службой Главного энергетика АО «УЭХК» более 10 лет на коммерческих узлах учета пара используются преобразователи расхода вихревые «ЭМИС»-ВИХРЬ 200» Ду – 25, 50, 150. Приборы установлены как в помещениях, так и на улице. Общее количество – 14 штук. За время эксплуатации замечаний к их работе не зафиксировано, отрицательных результатов поверки не отмечено».