Zawory zwrotne o dogodnych właściwościach przepływowych stosowane w wodociągach i stacjach pomp

Transkrypt

1 Zawory zwrotne o dogodnych właściwościach przepływowych stosowane w wodociągach i stacjach pomp Peter Oppinger Mannheim*) Ochrona środowiska wymaga użycia w instalacjach i procesach zawansowanych technologii. W związku z tym rosną także wymagania ze strony projektantów i operatorów sieci wodociągowych i stacji pomp dotyczące niezawodności stosowanych komponentów. Projektanci i wykonawcy instalacji, przygotowując się do przedsięwzięcia, oprócz kubatury biorą pod uwagę w trakcie wyboru armatury uniwersalność produktów i ich zalety wpływające na montaż, a także niezawodność eksploatacji, równocześnie nie tracąc z pola widzenia aspektu ekonomicznego. Wszelkie elementy muszą gwarantować niezakłóconą i w pełni automatyczną eksploatację instalacji uzdatniania wody i stacji pomp. Zawory zwrotne firmy VAG zaprojektowano z myślą o bezawaryjnej pracy w przypadku zastosowania zgodnego z przeznaczeniem nawet przez wiele dziesięcioleci. zwyczaj od wielu czynników. Na przykład od momentu bezwładności pompy, wysokości tłoczenia, prędkości przepływu oraz od oporów występujących w instalacji (długość rurociągu, chropowatości rury i innych elementów wbudowanych w rurociąg). Pompy o kompaktowej konstrukcji charakteryzujące się niewielkim momentem bezwładności i większą wydajnością są obecnie przyczyną skrócenia czasu wypływu. To powoduje wzrost wymagań odnoszących się do zaworów zwrotnych. Konfiguracja Zapobieganie przepływowi wstecznemu jest czymś więcej niż wstrzymywaniem przepływu medium. Zależne jest od dynamicznych właściwości przepływu w instalacji i związanej z bezwładnością charakterystyki organu odcinającego w armaturze zwrotnej. Dynamiczne właściwości przepływu są niezwykle złożone i bardzo różnią się w konkretnych instalacjach, wobec czego trudno je zdefiniować. W zależności od konstrukcji i bezwładności zaworów zwrotnych mogą nadążać one za opóźnieniem przepływu do określonej wartości. Jeżeli czas wstrzymania przepływu od momentu wyłączenia pompy lub zaniku zasilania do zatrzymania się pompy jest krótszy niż czas zamknięcia zaworu zwrotnego, dochodzi do przepływu wstecznego (ilustr. 2). To powoduje z kolei, że element zamykający zaworu zwrotnego zostaje gwałtownie dociśnięty przez wracające medium, co może powodować głośne uderzenia w systemie rurociągowym. W takich warunkach eksploatacji warto zastosować sterowane zawory zwrotne. O doborze właściwej armatury zwrotnej oprócz znajomości różnych konstrukcji decyduje przede wszystkim specyfika zastosowania. Zawór zwrotny powinien: automatycznie zamykać wraz z rozpoczynającym się przepływem, powodować tylko nieznaczny spadek ciśnienia w systemie, Uwagi ogólne Konstrukcja armatury uwzględniająca różne materiały i graniczne parametry eksploatacyjne dostosowywana jest do określonych zakresów ciśnienia, temperatury i rodzaju medium. Zawory zwrotne to rodzaj armatury, która ma umożliwiać przepływ medium tylko w jednym kierunku. W razie zmiany kierunku przepływu armatura zamyka się samoczynnie lub w trybie sterowanym, a przy właściwym kierunku przepływu następuje jej otwarcie w analogiczny sposób. Dzięki temu zapobiega się opróżnianiu wyżej położonych rurociągów i zbiorników w okresach przestoju, a w przypadku zaniku zasilania chroni się pompy przed przepływem wstecznym i zarazem przed wstecznymi falami ciśnienia (ilustr. 1). Opóźnienie przepływu w instalacji po zaniku energii tłoczącej zależy za- Ilustracja 1. Możliwe umieszczenie zaworu zwrotnego Ilustracja 2. Zawór zwrotny w stacji pompowej 9

2 Na ilustr. 3 przedstawiono różne układy montażowe. Ilustracja 3. Systemy rurociągowe o różnych czasach reakcji bez inercji podążać za zmieniającymi się warunkami eksploatacji (otwieranie i zamykanie), w przypadku zaniku zasilania bądź odwrócenia się kierunku przepływu szybko, niezawodnie i szczelnie zamykać, aby chronić pompę przed przepływem wstecznym, przeciwdziałać wstecznemu przepływowi medium i tym samym opróżnianiu rurociągu, zapobiegać nagłym skokom ciśnienia. Konstrukcje zaworów zwrotnych Dostępne są zawory zwrotne o różnej budowie: konstrukcje o swobodnym ruchu i zawory sterowane. Zawory zwrotne o swobodnym ruchu (ilustr. 4) muszą realizować funkcję szybkiego zamykania i w idealnej sytuacji powinny być zamknięte przy odwrotnym kierunku przepływu. Ruch organu zamykającego sterowany jest wyłącznie przez siłę przepływu medium. W takiej konstrukcji funkcję zamykania wspomaga jedynie siła ciężkości, na przykład przez umieszczony na zewnątrz ciężar opadowy lub zainstalowaną wewnątrz sprężynę talerzową. Wszelkie zawory zwrotne o swobodnym ruchu spełniają jedynie wymóg zapobiegania przepływowi wstecznemu. W sterowanych zaworach zwrotnych zamykający i otwierający ruch organu jest kontrolowany. Wyzwalany jest mechanicznie niezależnie od przepływającego medium przez umieszczoną na zewnątrz jednostkę napędową. W takich urządzeniach stosowane są przeważnie napędy hydrauliczne z ciężarem opadowym lub napędy sprężynowe, które umożliwiają domknięcie w każdym położeniu armatury. Taki rodzaj armatury nazywa się również kombinowanymi pompowymi organami Ilustracja 4. Przykład zaworu zwrotnego o swobodnym ruchu klapowy zawór zwrotny VAG SKR Ilustracja 5. Przykład sterowanego zaworu zwrotnego przepustnica odcinająca VAG EKN z hydraulicznym napędem opadowym VAG HYsec 10

3 zwrotnymi (ilustr. 5). Czasy otwierania i zamykania definiuje się zazwyczaj na podstawie obliczeń uderzenia ciśnienia. Zawory zwrotne o ruchu swobodnym Istnieje wiele konstrukcji zaworów zwrotnych o swobodnym ruchu, które w zależności od danego zastosowania mogą się różnić różnymi detalami konstrukcyjnymi (ilustr. 6). Podział tego rodzaju konstrukcji przedstawia się następująco: zawory klapowe zwrotne ze swobodnym dyskiem, zawory klapowe zwrotne z obrotowym dyskiem, zawory zwrotne (w ścisłym sensie), membranowe zawory zwrotne. W instalacjach ściekowych na zakończeniu każdego systemu rurociągowego lub kanalizacyjnego stosuje się klapy przeciwcofkowe. Dla tego zastosowania dostępne są również różne konstrukcje wykonane z rozmaitych materiałów (ilustr. 7). Sterowane zawory zwrotne W przemyślanym układzie taka armatura może pełnić kilka funkcji: klapa zwrotna chroniąca pompę, możliwość unikania uderzeń ciśnienia w rurociągu, armatura umożliwiająca uruchomienie pompy zgodnie z charakterystyką oraz tradycyjna armatura odcinająca. W przeciwieństwie do zaworów zwrotnych o swobodnym ruchu przepustnica odcinająca VAG EKN z napędem opadowym VAG HYsec dzięki hydraulicznej blokadzie w położeniu otwartym nie potrzebuje żadnej energii, aby to położenie utrzymać. Otwieranie zapewnia zintegrowany olejowy układ hydrauliczny. Zamykanie inicjuje natomiast hydrauliczny lub elektryczny sygnał przesłany do jednostki napędowej. Wtedy ciężar opada pod kontrolą, a organ zamykający wewnątrz armatury przemieszcza się w położenie zamknięte. klapowy zawór zwrotny VAG SKR zawór zwrotny VAG LIMU-STOP Ilustracja 6. Zestawienie zaworów zwrotnych o swobodnym ruchu VAG HADE PTK klapowy zawór zwrotny z tłumikiem VAG SKR Innym dostępnym rodzajem napędu jest napęd sprężynowy (ilustr. 8). W przypadku napędu sprężynowego otwieranie przebiega analogicznie do hydraulicznego napędu opadowego, ruch zamykający o zakresie 90 nie jest jednak powodowany przez ciężar opadowy, lecz przez naprężone wstępnie sprężyny, które podczas zamykania się rozprężają. Za pomocą regulatorów zawór zwrotny z dźwignią i ciężarem VAG LIMU-STOP VAG FOROX S60 zawór zwrotny membranowy VAG TOP-STOP Ilustracja 7. Różne konstrukcje klap przeciwcofkowych klapa zwrotna VAG RETO-STOP zawór zwrotny kulowy VAG KRV VAG FOROX S70 przepływu znajdujących się w układzie hydraulicznym można dostosować czasy zamykania i otwierania do charakterystyk instalacji. Ten typ zaworów zwrotnych znajduje zastosowanie przeważnie w systemach chłodzących elektrowni konwencjonalnych, a także w elektrowniach atomowych. Pełnią one kilka funkcji jednocześnie: organ odcinający i zwrotny współpracujący z przepustnicą odcinającą, organ dławiący i zwrotny współpracujący z armaturą regulacyjną. Ilustracja 8. Kuta ze stali szlachetnej przepustnica odcinająca VAG EKN z hydraulicznym napędem sprężynowym W przeszłości zwrotny zawór klapowy z gniazdem prostym dziś wykonanie z gniazdem skośnym W przeszłości stosowano przeważnie zwrotne zawory klapowe z gniazdem prostym, co wynikało ze specyfiki procesu produkcyjnego, natomiast obecnie coraz większe znaczenie zyskuje wykonanie. Każdy operator stacji pompowych boryka się z problemem, który polega na tym, że po zaniku zasilania odwróce- 11

4 Zawór zwrotny o swobodnym ruchu powinien otwierać przepływ medium o możliwie niskiej prędkości i niewielkim naporze. Zawór klapowy zwrotny z gniazdem skośnym VAG SKR jest zaworem zwrotnym o swobodnym ruchu, który otwiera już przepływ powodujący ciśnienie odpowiadające połowie średnicy nominalnej: Przykład: SKR DN 600, ciśnienie otwarcia = 600/2 = 300 mm, co odpowiada 0,03 bar Dzięki łukowatemu kształtowi dysku przepływ, podobnie jak w przypadku powierzchni nośnej samolotu, powoduje hydrauliczny moment nośny skierowany ku górze. A zatem do otwarcia dysku przyczyniają się dwie siły: siła naporu strumienia działająca na spodnią stronę, hydrauliczny moment nośny po stronie wierzchniej. Ilustracja 9. Przykładowy przebieg uderzenia ciśnienia dla armatur o różnej konstrukcji nie kierunku przepływu następuje szybciej niż zamknięcie klapowego zaworu zwrotnego. Dochodzi również do uderzenia dysku, co powoduje głośne efekty akustyczne, a także drgania mechaniczne rurociągu i budynku. Uderzenia ciśnienia wynikające z nagłego wyhamowania przepływu mogą w skrajnych sytuacjach wyrządzić szkody w obrębie systemu rurociągowego. Ilustracja 10. Zawór klapowy zwrotny VAG SKR wyposażony w wewnętrzny tłumik położeń krańcowych Dzięki skośnemu umiejscowieniu gniazda uszczelniającego w korpusie droga zamykająca została skrócona. Równocześnie redukuje się czas zamykania klapowego zaworu zwrotnego. Dodatkowy umieszczony wewnątrz tłumik spowalnia ruch od 10 do 15 procent drogi przed położeniem krańcowym, w wyniku czego dojściu dysku do gniazda nie towarzyszy hałas ani uderzenie (ilustr. 9). Zawór klapowy o swobodnym ruchu w standardowym trybie pracy powinien być zawsze otwarty Od prędkości przepływu wynoszącej 1,6 m/s dysk zaworu przylega całkowicie do korpusu i tym samym osiąga pełne położenie otwarte. Jeżeli podczas eksploatacji prędkość przepływu jest mała, to należy ograniczyć średnicę nominalną zaworu zwrotnego, żeby zagwarantować pełne otwarcie. Jeśli ze względów konstrukcyjnych nie będzie to wykonalne, można zastosować wersję specjalną z wewnętrznie umieszczonym ogranicznikiem otwarcia. Stożkowy kształt gniazda i podwójnie mimośrodowe osadzenie dysku ogranicza tarcie między powierzchniami w korpusie i dysku. W efekcie każdy punkt na powierzchni przylegania dysku i naprzeciwległy punkt na powierzchni przylegania korpusu stykają się niemal równocześnie. Uzyskane korzyści to: praktycznie brak tarcia i ścierania się, a także nieutrudnione otwieranie. Z powodu kształtu dysku dogodnego pod względem przepływowym i optymalnego stosunku wolnej powierzchni przekroju do całkowitej powierzchni przekroju zawór zwrotny VAG SKR odznacza się bardzo niskim współczynnikiem strat miejscowych, co uwidacznia się również w niskich kosztach energii (ilustr. 10). W celu ograniczenia wpływu obciążenia uderzeniem ciśnienia udostępniono wewnętrzny tłumik położenia krańcowego. Tłumik jest zazwyczaj fabrycznie wypełniany wodą i jest gotowy do działania niezależnie od ciśnienia systemowego panującego w rurociągu. Gdy podczas zamykania trzpień na dys- 12

5 ku zetknie się z tłokiem i wprawi go w ruch, następuje tłumienie. Mechanizm tłumienia polega na tym, że znajdująca się za tłokiem ciecz wtłaczana jest przez specjalnie ukształtowane szczeliny do zmniejszających się powierzchni wylotowych w obrębie korpusu tłumika. Zadaniem obustronnej membrany tłumika jest wyrównanie przestrzeni tłumika zmniejszonej przez zagłębiający się tłok oraz zrównoważenie różnicy siły nacisku powierzchni czołowych tłoka i wewnętrznej komory tłumika. Tłumienie odbywa się na odcinku równym mniej więcej 10 procentom drogi zamykania zaworu klapowego o swobodnym ruchu. Zachowanie minimalnego odstępu między pompą a klapowym zaworem zwrotnym W przypadku przekroczenia minimalnej odległości między pompą a klapowym zaworem zwrotnym może dojść do turbulencji w systemie, które powodują nieustanny ruch dysku w kierunku zamykania i otwierania. Należy tutaj uwzględnić różne położenia montażowe wału pompy poziomy lub pionowy, ponieważ turbulencje mogą mieć zupełnie inny charakter. Zalecane jest zachowanie następującego minimalnego odstępu (ilustr. 11): pompy z poziomym wałem, minimalny odstęp: 3 x DN, pompy z pionowym wałem, minimalny odstęp: 5 x DN. Projektowanie instalacji przejście w trzeci wymiar W ostatnich latach firma VAG stale rozwijała, aktualizowała i dostosowywała oprogramowanie projektowe VAG UseCAD 7.0 do wymagań praktycznych. Ważnym elementem obecnej wersji VAG UseCAD 7.0 jest automatyczne generowanie trójwymiarowych modeli różnych typów armatury (ilustr. 12). W ostatnich latach powszechnym formatem projektów były rysunki dwuwymiarowe, natomiast dziś Ilustracja 11. Zalecane minimalne odległości między pompą a zaworem zwrotnym coraz częściej pracuje się w trzech wymiarach. Kontrola kolizji, koncepcje instalacji i wiele innych zadań wymagają obecnie przestrzennych modeli armatury. W przeszłości wymagane były szkice w różnych rzutach, aby całościowo przedstawić złożoność instalacji, dzisiaj zaś wystarczy jeden projekt 3D, który w razie potrzeby można przekształcić na rzuty 2D. Firma VAG uwzględniła te potrzeby użytkowników i zaoferowała inżynierom oraz projektantom wybór trójwymiarowej armatury w oprogramowaniu VAG UseCAD 7.0. Trójwymiarowe modele wygenerowane w VAG UseCAD 7.0 można wyeksportować we wszystkich powszechnych formatach 3D, takich jak DWG 3D, IGES 3D, SAT 3D lub STEP 3D. Modele te można wczytać do najróżniejszych systemów projektowania i tam wykorzystywać. Szczególną uwagę zwrócono na tak zwane krytyczne elementy armatury, ponieważ ich ruchomość ma decydujący wpływ na rozplanowanie instalacji. Wszystkie elementy wystające poza właściwy korpus armatury, jak choćby dysk zaworu zwrotnego ze skośnym siedzeniem VAG SKR, przedstawiono w maksymalnym położeniu otwartym. To kryterium planowania pozwala unikać błędu zwłaszcza na etapie przewidywania kolizji. Oprócz nowości, jaką jest generowanie modeli przestrzennych, aplikacja VAG UseCAD 7.0 wspomaga wszystkie obszary tradycyjnego planowania armatury i dostarcza rozbudowaną wiedzę specjalistyczną. Elektroniczny katalog armatury zawiera szczegółowe informacje techniczne. Oprócz arkuszy danych technicznych, tekstów do użycia w dokumentacji przetargowej oraz symboli armatury oprogramowanie VAG UseCAD 7.0 posiada oczywiście również rysunki 2D całej palety armatury na potrzeby tradycyjnego planowania w trybie dwuwymiarowym. Dziękujemy firmie VAG Armatura Polska Sp. z o.o., Warszawa, za pomoc w przygotowaniu artykułu. Ilustracja 12. Trójwymiarowy model klapowego zaworu zwrotnego z gniazdem skośnym VAG SKR o średnicy nominalnej DN 500 i ciśnieniu nominalnym PN 16 *) Peter Oppinger dyrektor ds. marketingu, VAG-Group, Mannheim (Niemcy). Tłumaczenie artykułu z Industriearmaturen, z. 4/2015, ss