Organizm człowieka posiada wiele systemów

Transkrypt

1 Od trwałości do szczelności Ocena szczelności zaworu regulacyjnego po wykonaniu badań trwałościowych Mateusz Burkiewicz Zakład Automatyki Przemysłowej INTEC Sp. z.o.o. dr inż. Janusz Rogula Politechnika Wrocławska Elektrownia parowa składa się z pięciu głównych układów. W każdym z nich znajduje się wiele rodzajów armatury, bez której nie działałyby, podobnie jak organizm bez baroreceptorów. Wśród nich wyróżnić możemy wysokiej jakości i klasy zawory. Co wykazały badania trwałościowe, którym poddano zawór regulacyjny o średnicy nominalnej DN25 w Laboratorium Techniki Uszczelnień i Armatury Politechniki Wrocławskiej? RYS. 1 Rozmieszczenie baroreceptorów w organizmie człowieka [1] Organizm człowieka posiada wiele systemów kontrolujących oraz regulujących jego życie. Najbardziej widoczna jest kontrola pracy serca, układu oddychania, krążenia oraz układu pokarmowego. Za regulację przepływu i ciśnienia krwi odpowiadają reakcje odruchowe z baroreceptorów. Znajdują się w ścianach zatoki szyjnej, podobojczykowej i płucnej oraz w łuku aorty (rys. 1). Dzięki nim możliwe jest stałe kontrolowanie wahań ciśnienia tętniczego oraz regulacja przepływu krwi poprzez rozszerzenie lub zwężenie naczyń krwionośnych. Specyfika pracy organizmu człowieka jest bardzo zbliżona do tej występującej w elektrowni. Elementami, które spełniają podobne zadania, są baroreceptory i armatura. Umożliwiają zachowanie homeostazy w swoich środowiskach pracy. Są często mało doceniane i pomijane, ale to one mają kluczowy wpływ na prawidłowe funkcjonowanie mechanizmów, w których występują. Na rys. 2 pokazano rozmieszczenie niektórych zaworów występujących w układach elektrowni. Elektrownia parowa składa się z pięciu głównych układów. Są to: układ obiegu skraplacza, układ zasilania parą, układ odwadniania podgrzewaczy, układ oczyszczania gazów spalinowych, układ usuwania popiołów. W każdym z tych układów znajduje się wiele rodzajów armatury, bez której nie działałyby jak organizm, a przede wszystkim nie byłaby zachowana homeostaza. Zawory stosowane w energetyce Woda z pompy wody zasilającej jest transportowana do walczaka. Następnie trafia do ekranów parownika, które są omywane przez spaliny. Na skutek różnicy gęstości wytworzona mieszanina parowo-wodna płynie z powrotem do walczaka. Z tego miejsca kierowana jest na przegrzewacz pary i po osiągnięciu parametrów pary świeżej przepływa do turbiny. Pomiędzy rurociągiem pary świeżej a skraplaczem umiejscowiona jest stacja rozruchowo-zrzutowa. Składa się z zaworu redukcyjno- -schładzającego (rys. 3) i zaworu wtryskowego. 78 POMPY POMPOWNIE 2/2018

2 W blokach energetycznych do 130 MW do schładzania pary zwykle wykorzystuje się kondensat. Podczas rozruchu stacja ma za zadanie zwiększyć intensywność cyrkulacji w rozpalanym kotle poprzez rozprężanie pary do ciśnienia panującego w kondensatorze. Przepływająca para mokra nie wymaga schładzania. W sytuacji awaryjnej zawory szybkozamykające odcinają przepływ pary na turbinę. Zrzut obciążenia musi przejąć stacja RS, dostosowując parametry pary do odpowiednich dla kondensatora. Niezbędne dla prawidłowej pracy stacji redukcyjno-schładzającej jest doprowadzenie czynnika chłodzącego o odpowiednich parametrach. W przypadku wykorzystania wody zasilającej do schładzania pary konieczne jest zastosowanie takiej konstrukcji zaworu wtryskowego, która umożliwi pracę w warunkach kawitacji maksymalnej (rys. 4). Taka konstrukcja musi posiadać wysoki współczynnik odzysku ciśnienia. Spadek ciśnienia podzielony jest na trzy stopnie z odzyskiem ciśnienia pomiędzy nimi. Do schładzania pary wykorzystuje się również kondensat. Charakteryzuje się zdecydowanie niższym ciśnieniem w porównaniu do wody zasilającej. Spadek ciśnienia na samym zaworze (rys. 5) jest stosunkowo mały, dlatego może odbywać się on tylko jednostopniowo, na zespole gniazdo grzyb. Przedstawione przykładowe zawory stanowią znikomy obszar zastosowań zaworów regulacyjnych. Takiej wysokiej jakości i klasy zawory są niezbędne dla właściwej pracy układów elektrowni. Zawór DN25 poddany badaniom trwałościowym Do badań przyjęto zawór regulacyjny o średnicy nominalnej DN25 na rys. 6 przedstawiono model bryłowy badanego zaworu. Korpus zaworu regulacyjnego (1) (rys. 6) wykonany jest z wysokiej jakości stali przeznaczonej do pracy w temperaturze do 450 C. Korpus zamknięty jest od Po badaniach trwałościowych nie wystąpił znaczny wzrost wycieku, który mógłby spowodować utratę klasy szczelności góry pokrywą (2) połączoną z korpusem śrubami dwustronnymi oraz uszczelniony uszczelką spiralną, metalowo-grafitową. Trzpień (3) uszczelniony jest w komorze pokrywy za pomocą pierścieni uszczelniających dociśniętych dławikiem (4) za pomocą śrub. Spadek ciśnienia odbywa się jednostopniowo na zespole gniazdo grzyb, dlatego te elementy są najbardziej RYS. 2 Schemat elektrowni z wyszczególnionymi zaworami regulacyjnymi [3] POMPY POMPOWNIE 2/

3 RYS. 3 Zawór redukcyjno- -schładzający [3] Stanowisko badawcze do przeprowadzania badań trwałościowych Stanowisko do wykonywania badań trwałościowych (rys. 10) składa się z czterech układów. Jest to układ zasilania, wykonawczy, chłodzenia oraz sterowania i zbierania danych. Układ zasilania złożony jest ze zbiornika na wodę. Ma on pojemność 0,6 m 3 i jest wyposażony w czujnik temperatury, który jest połączony z układem sterowania oraz elektroniczny poziomowskaz. narażone na szkodliwe zjawiska występujące podczas przepływu. Wykonane są ze stali nierdzewnej, kwasoodpornej, austenityczno-chromowo-niklowej, stabilizowanej dodatkiem tytanu. Powierzchnia grzyba jest dodatkowo utwardzana, natomiast gniazdo stellitowane. Konstrukcja grzyba pozwala uzyskać charakterystykę stałoprocentową. Na rys. 7 przedstawiono elementy zespołu korpusu. Biorąc pod uwagę, że podczas badań na stanowisku pomiarowym występowała kawitacja częściowa, dobrano konstrukcję eliminującą szkodliwe działanie tego zjawiska zastosowano klatkę (1). Montaż zespołu trzpienia (rys. 8) odbywa się poprzez wprowadzenie trzpienia do pokrywy. Współosiowość uzyskuje się za pomocą tulei 1 pełniących rolę prowadnic. Urządzeniem do regulacji stopnia otwarcia zaworu regulacyjnego i prowadzenia cykli otwarcia i zamknięcia przelotu dedykowany jest siłownik elektryczny typu 3XI. Jest to inteligentny siłownik pracujący w układach automatyki przemysłowej. Główną funkcją tego urządzenia jest automatyczne strojenie do położeń krańcowych, bezstykowe załączanie, rewersowanie, wyłączanie oraz elektryczne odzyskowe hamowanie silnika. Napięcie zasilania wynosi 3x400 VAC. Sterowanie odbywa się za pomocą sygnału analogowego 4-20 ma. Dzięki wbudowanemu wyświetlaczowi można dokonać podglądu wszystkich nastawionych parametrów, zobaczyć wykres obciążenia siłownika oraz sprawdzić historię zdarzeń. Napęd elektryczny został połączony z badanym zaworem za pomocą łącznika, natomiast całość stanowi zwartą konstrukcję. Na rys. 9 przedstawiono napęd elektryczny z zaworem regulacyjnym. RYS. 4 Zawór wtryskowy w przypadku zastosowania wody zasilającej [3] RYS. 5 Zawór wtryskowy w przypadku zastosowania kondensatu [3] 80 POMPY POMPOWNIE 2/2018

4 RYS. 6 Zawór regulacyjny DN25 (model 3D) Układ pompowy tworzą dwie pompy jedna niskiego ciśnienia (0,2 MPa), druga wysokiego ciśnienia (4,0 MPa). Pracują w układzie szeregowym. Następnie woda jest kierowana do rurociągu DN100, na którym umieszczono czujniki ciśnienia oraz temperatury. Na rurociągu wylotowym zamontowano przepływomierz, zawór dławiący DN100 oraz czujnik ciśnienia. Dzięki stałemu śledzeniu tych parametrów można na bieżąco kontrolować pracę całego układu. Stanowisko do badania szczelności Stanowisko, przedstawione na fot. 1, składa się z badanego zaworu (1) połączonego z siłownikiem elektrycznym (2). Zawór jest zamknięty z obu stron przeciwkołnierzami. W każdym z nich nawiercono otwory jeden służący do podłączenia przewodu (3), drugi, przez który będzie badana szczelność wewnętrzna zespołu grzyb gniazdo za pomocą czujnika helowego (4). Hel znajduje się w butli (5). Ciśnienie czynnika mierzone jest za pomocą manometru z rurką Bourdona (6). Wielkość wycieku zbierana jest przez czujnik i przesyłana do detektora helowego (7). Detektor helowy OErlikon Leybold Vacuum jest to urządzenie, które współpracuje z pompą próżniową (8) z wbudowanym wzorcem. Badano szczelność: wewnętrzną na zespole grzyb gniazdo (fot. 2), zewnętrzną przy dławiku (fot. 3) i trzpieniu (fot. 4). RYS. 8 Zestawienie elementów zespołu pokrywy zaworu regulacyjnego RYS. 9 Zespół zaworu regulacyjnego z napędem elektrycznym RYS. 7 Zestawienie elementów zespołu korpusu zaworu regulacyjnego POMPY POMPOWNIE 2/

5 RYS. 10 Schemat układu pomiarowego Nr Opis Nr Opis 1. Zbiornik wody zasilającej 10. Badany zawór regulacyjny z napędem elektrycznym 2. Zawór odcinający z napędem ręcznym 11. Przepływomierz 3. Pompa zasilająca wstępna 12. Czujnik ciśnienia za badanym zaworem 4. Pompa zasilająca główna 13. Zawór regulacyjny z napędem ręcznym 5. Zawór zwrotny 14. Zawór spustowy 6. Czujnik temperatury wody zasilającej 15. Zawór upustowy 7. Czujnik ciśnienia zasilania wstępnego 16. Zawór spustowy 8. Czujnik temperatury 17. Chłodnica wody 9. Czujnik ciśnienia przed badanym zaworem 18. Czujnik temperatury wody zasilającej Wyniki badań szczelności oraz ich analiza Badania wykonano, sprawdzając szczelność zespołu gniazdo grzyb oraz dławnicy. Pomiaru dokonano przed i po badaniach zmęczeniowych, aby sprawdzić, jak zachowują się poszczególne elementy zaworu po wykonaniu określonej liczby cykli 750 razy otwórz zamknij. W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań. Analizując wyniki w tabeli 2, można zauważyć, że po badaniach zmęczeniowych wyciek jest większy w stosunku do wyników badań przeprowadzonych na nowym zaworze, jednak należy odnieść te wartości do wycieku dopuszczalnego, który dla IV klasy wg normy PN-EN [4] wynosi 1, m 3 /h. Wartości pomiarów szczelności są niższe, dlatego można stwierdzić, że zawór spełnia stawiane przed nim wymagania. *** Badania trwałościowe przeprowadzone w Laboratorium Techniki Uszczelnień i Armatury Politechniki Wrocławskiej były prowadzone w sposób nieniszczący badany zawór regulacyjny. Prezentowana metoda badawcza jest metodą relatywnie tanią, pozwalającą na wyciągnięcie następujących wniosków: Wykonanie 750 cykli pracy zamknij otwórz pozwoliło ocenić wpływ zużywania się poszczególnych elementów zaworu na jego szczelność wewnętrzną oraz zewnętrzną. Wartości wycieku przed i po badaniach trwałościowych przedstawione w tabeli 2 pozwalają stwierdzić, że przeprowadzone badania przy przepływie wody podczas cykli otwarcia i zamknięcia nie miały wpły- TAB. 2 Porównanie wartości wycieków Rodzaj szczelności/ Wyciek Wyciek przed badaniami zmęczeniowymi m 3 /h Wyciek po badaniach zmęczeniowych m 3 /h Wyciek dopuszczalny m 3 /h Wewnętrzna 1,26*10-7 1,32*10-6 1,4*10-4 Zewnętrzna przy dławiku 5,98*10-7 8,61*10-7 1,4*10-4 Zewnętrzna przy trzpieniu 1,39*10-7 1,55*10-6 1,4* POMPY POMPOWNIE 2/2018

6 FOT. 3 Pomiar szczelności zewnętrznej przy dławiku FOT. 1 Stanowisko do badania szczelności wu na zmianę klasy szczelności określonej wg normy PN-EN Zastosowane materiały konstrukcyjne na elementy zaworu i na uszczelnienia dobrano prawidłowo, gdyż po badaniach trwałościowych nie wystąpił znaczny wzrost wycieku, który mógłby spowodować utratę klasy szczelności. Literatura [1] Układ wymiany gazowej i krążenia pl/ uklad-wymiany-gazowej-i- krazenia.html [2] Laboratorium Pomiarów i Automatyki w Elektrowniach Układy Automatycznej Regulacji, Politechnika Łódzka, Łódź [3] Własność intelektualna firmy INTEC. [4] PN-EN :2006 Przemysłowe zawory regulacyjne Część 4: Badania sprawdzające i rutynowe. Fot. zasoby własne autorów FOT. 4 Pomiar szczelności zewnętrznej przy trzpieniu FOT. 2 Pomiar szczelności wewnętrznej POMPY POMPOWNIE 2/