– Для исключения образования пульсаций собственно от закрытия\открытия клапана, в нем должны быть предусмотрены предохранительные схемы сглаживания давления при помощи дополнительных устройств.
– Время срабатывания при открытии и закрытии клапана должно соответствовать требованиям образования или затухания волны давления и пульсаций для устранения гидравлического удара. Открывание и закрывание клапана должно происходить, как правило, медленно.
– Время реакции клапана на сигнал должно быть минимальны.
ПРИМЕНЕНИЕ КЛАПАНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ГИДРОУДАРОВ
Гидроудары могут появляться в системе нерегулярно или периодически. Предсказуемыми являются только те, которые связаны с задаваемой работой технологического оборудования. К ним относятся, например:
– пуск\останов насоса
– быстрое опорожнение\заполнение емкости, технологического узла
– автоматическое перекрытие линии клапанами.
Непредсказуемыми являются процессы пульсаций, возникающие из-за отклонений в технологическом процессе. Они могут приводить к:
– кавитации
– повышенной виброактивности
– нарушению работоспособности.
Для условий пуска \останова насосов выбираются обычные клапаны с возможностью, как отсечки, так и регулирования.
Для условий быстрого опорожнения линии, а также в варианте предохранительного клапана для быстрого опорожнения линии клапаны должны иметь следующие особенности:
– Высокие коэффициенты пропускной способности клапанов (Кv): для обеспечения защиты трубопровода от волн давления потребуются меньшие размеры и (или) меньшее число таких клапанов. Этим обеспечивается снижение расходов на установку и снижение веса систем защиты трубопроводов.
– Быстродействие – быстрое открытие и плавное закрытие клапанов позволяют своевременное реагирование на изменение давления в системе жидкости.
– Дополнительный резерв по пропускной способности позволяет справляться с непредвиденными, более высокими, чем расчетные, скачками давления систем.
– Жесткость конструкции, исключает такие проблемы, как утечку среды через сальниковые уплотнения, разрыв элементов и их деформацию, что обычно приводит к выходу из строя клапанов.
– Простота обслуживания и надежность конструкции.
Для условий работы при автоматическом перекрытии линии автоматическими клапанами при условии возникновения гидроудара и пульсаций, клапаны должны иметь элементы повышения надежности. К ним относятся несколько основных элементов. Это такие элементы как:
– Жесткое соединение шара с осью, механизм противостояния выдавливанию оси, специальные способы запирания седел. Компания Метsо Automation использует для этих целей цельнолитой шар-ось «Stem Ball», исключающий возможность разъединения шара с осью, его заклинивание и потерю работоспособности.
– Специальный конструктивный элемент безопасности от выдавливания оси. Элементом повышения промышленной безопасности служит специальный литой элемент на клапане, с целью предотвращения выдавливания оси из своего гнезда. В этом случае предотвращается риск нанесения ущерба жизни и здоровью персонала, катастрофических аварий и наружных утечек среды.
– Специальное соединение клапана с приводом. Это специальный кронштейн для соединения оси с приводом.
– Позиционеры, способные работать в условиях высокой вибрации.
– Специальный инструментарий, включающий конечные выключатели типа SWITH GUARD, позволяющий обеспечить медленное открытие клапанов, работающих на создание гидроудара или медленное закрытие клапанов, работающих на создание обратного гидроудара. Для преодоления большого поворотного момента накоплении давления при закрытии шарового или дискового затвора при медленном закрытии может быть установлен бустер – усилитель давления.
– Учитывая, что при гидравлическом ударе обычно начинается протечка по фланцам, что и служит признаком повторяющихся гидравлических ударов, следует отметить возможность применения фланцев с поверхностями, выполненных по варианту «шип-паз».
Типы рекомендуемых клапанов METSO AUTOMATION для условий высоких пульсаций и гидроударов приведены ниже, табл.2.16.
Табл. 2.16. Типы клапанов Метсо, применяемых для условий высоких пульсаций и гидроударов
ВИБРАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КЛАПАНОВ
Клапаны испытывают нагрузки от вибрации. Наиболее часто это происходит в системах парораспределения. Эти проблемы встречаются в турбинном хозяйстве, ТЭС и ТЭЦ, системах подачи пара СРК и в пароконденсатных системах.
При эксплуатации систем парораспределения, особенно турбинного хозяйства, отмечаются систематические повреждения органов парораспределения. В большинстве случаев повреждения обусловлены обрывами штоков регулирующих клапанов, искажениями прилегания чаши к седлу, выпрессовкой седел, а также отклонениями в фиксации сегментов седел регулирующей ступени. К наиболее распространенным неполадкам в системах парораспределения относятся износ элементов подвески штоков, уплотнительных букс и поршневых колец. Износу подвергаются также тяги, серьги, подвески, ограничительные шпильки прижимных пружин, элементы шарнирных соединений и детали передачи усилий от сервомоторов.
При этом анализ характера повреждений, выполненных в работах ЦКТИ, ЛМЗ, МЭИ свидетельствуют об их вибрационном происхождении. Причина частых повреждений и поломок различных элементов систем парораспределения связана с наличием низко и высокочастотных колебаний, приводящих к относительно быстрому набору критического числа циклов нагружения, прежде всего деталей конструкций различных регулирующих клапанов. Например, за три часа эксплуатации детали при частоте нагружения f=100Гц число циклов достигает значения 106. Зачастую высокочастотные колебания сопровождаются характерными звуковыми эффектами («пение» клапанов). Отмечаемые эффекты в форме «стука отбойного молотка» свидетельствуют о наличии низкочастотных колебаний. В результате прогрессируют усталостные явления, включая малоцикловую и звуковую усталость.
Основными причинами неустойчивой работы регулирующих клапанов систем парораспределения являются автоколебательные процессы в связи с эффектами статической неустойчивости, перемена знака усилия по мере открытия клапана. Продольные автоколебания могут формироваться вследствие инерционности потока рабочей среды, когда помимо парового усилия на чаше появляется дополнительная возмущающая сила. При совпадении частоты основного тона продольных колебаний чаши и штока клапана с собственными частотами парового объема, например, патрубков подвода рабочей среды возникают акустические резонансы, приводящие к росту амплитуды колебаний за чашей клапана. При наиболее критических режимах, например, сверхкритическом режиме течения рабочей среды, пульсации давления приводят в действие переменные усилия в окружном направлении с амплитудами в несколько десятков кN, а в осевом направлении – сотен кN. Они и становятся причиной повреждения, как клапанов, так и сопряженных узлов.
К способам повышения вибрационной надежности относятся отстройка от резонанса путем изменения собственных частот механических колебаний клапанной системы, а также частоты внешних возмущений путем изменения геометрии, массы и размеров (длины и диаметра штока клапана, массы сегмента затвора и пр.). В некоторых случаях кардинальной мерой является полная замена конструкции клапана с изменением посадочных размеров.
Известно, что виброактивность регулирующих клапанов резко возрастает не только при малых степенях открытия клапана, но и в области зоны перемены знака направления давления пара. В этом случае работа возмущающих сил увеличивается вследствие роста амплитуды колебаний из-за люфтов в сочленениях элементов затвора клапана или его передаточных звеньев. В связи с этим эффективными будут нейтрализация люфтов, устранение неплотностей и подтяжка резьбовых соединений. Кардинальным методом является использование литых жестких затворов, прямая связь штока затвора с приводом и посадка позиционеров на привод.
Важным является и снижение вибраций клапанов за счет элементов демпфирования. В этом случае недопустима приварка специальных демпфирующих кронштейнов к корпусу клапанов, как это иногда встречается на предприятиях.
Технологически вибрации можно гасить, если нагрузка или расход клапана повышается совместно с его открытием и выводом из виброактивной области малого угла открытия клапана.
Если необходимо в течение длительного времени поддерживать заданную нагрузку, то необходимо осуществлять перестройку системы регулирования, изменяя последовательность открытия регулирующих контуров и клапанов в них.
Очевидно, что неустойчивость в работе регулирующего клапана определяется нестационарными процессами в его проточной части. Это такие процессы как источники автоколебаний. Они классифицируются по акустической, волновой и вихревой формам. Например, считается, что акустическая неустойчивость обусловлена особенностями течения струи пара в области чаши клапана. Она, как акустическая система выбирает из поступающей в нее рабочей среды – шума соответствующие полосы частот и усиливает их. Усиление колебаний происходит в том случае, если скорость поступления энергии в данной полосе колебаний превышает скорость диссипации (затухания) энергии. Основными факторами усиления колебаний здесь являются регулярные пульсации давления и изменения проходных сечений системы.
Частоты колебаний определяются формой подсоединенных трубопроводов, скоростью звука в рабочей среде. При данном виде неустойчивости могут возбуждаться как продольные, так и радиальные колебания. Волновая неустойчивость оценивается эффектами сверхзвуковых течений, которые могут происходить в области затвора клапана при малых его открытиях. Частотные характеристики колебаний в этом случае формируются нестационарностью различных видов волновых явлений (скачки уплотнений, волны разрежения и сжатия).
Вихревая неустойчивость определяется эффектами вихревых образований и закрутки потока. При движении вихрей с частотами, совпадающими или превышающими в определенной пропорции собственные акустические колебания проточной части, возникают явления резонанса, при котором амплитуда пульсаций давления существенно возрастает. Поскольку течение в клапане и за затвором клапана является закрученным, то могут формироваться совместные колебания и потока, и затвора. Если эта частота совпадает с собственной частотой акустических колебаний, то происходит возбуждение колебаний. Обычно вихревое ядро за затвором клапана формирует низкочастотные колебания давлений большой амплитуды. Резонирующими полостями являются также трубы и патрубки подвода пара к клапану. В целом рождается неустойчивость всей системы – трубопровода подвода пара, самого клапана и последующей регулирующей ступени. При этом каждый компонент реагирует с определенным запаздыванием. Это вызывает зависящие от частоты входящего импульса сдвиг фазы и изменение амплитуды в возмущения.
Для турбин повышенная вибрация клапанов влияет и на вибрации самой турбины, особенно ротора высокого давления. На ротор воздействуют пульсации давления (расхода) водяного пара, расширяющегося в той части, где работает вибронеустойчивый клапан. Из-за повышенной вибрации валопровода турбины повреждаются ее подшипники. Такие режимы возникают при переходных режимах и неполной нагрузке турбоагрегата, а также когда турбина работает в неустойчивом режиме и режиме частых пусков и остановов. Даже в режиме длительной постоянной нагрузки на турбине для потоков пара характерен нестационарный режим течения. Уровень пульсаций для различных частотных спектров может достигать до 1,2-1,7 МПа. Такой уровень пульсаций является причиной сокращения ресурса наиболее слабых элементов парораспределения.
Частота пульсаций давления в регулирующих клапанах турбин также существенно зависит от режима нагрузки турбоагрегата. Тренды частот различны, вплоть до скачкообразных. Стабильность частотных характеристик наблюдается только в установившихся режимах течения при нагрузках, близких к номинальным. Особенно неблагоприятны режимы несения частичных нагрузок при малых степенях открытия затвора регулирующего клапана и не только из-за нестационарности процесса в клапане, но и из-за изменения характеристик потока в котельном агрегате и паропроводе. Т.е. даже при удовлетворительном сопротивлении вибрации клапана амплитуда пульсаций среды за ним может быть высокой. И это не только накопление усталостных эффектов, но и резкие скачки уровня вибрации опор валопровода.
При пусковых режимах пульсации начинаются с момента открытия клапанов. По отношению к уровню давления рабочей среды после клапана их уровень достаточно высок и достигает 15-25% с уровнем до 1,6 МПа. При этом регулирующий клапан в момент открытия генерирует высокочастотные пульсации давления. В зависимости от степени открытия клапана, превалирующие частоты изменяются. И, как правило, с открытием клапана частота пульсаций падает.
В целом уровень пульсаций давления пара после его дросселирования по отношению к давлению может достигать 30% при относительно высоких частотах. Образование пульсаций чувствительно даже к небольшим отклонениям положения штоков клапанов. Пульсации имеют тенденцию к росту при повышении нагрузки и после определенной границы начинают снижаться. Стабильность частоты пульсаций характерна только в условиях установившегося режима эксплуатации ТЭЦ.
Наибольшая степень влияния пульсаций давления в регулирующих клапанах наблюдается на ближайших к ним областях валопровода. При открытии регулирующих клапанов на турбинах происходит скачкообразный рост виброскорости из-за ударного воздействия пара за клапаном при его открытии. При этом изменяется вектор окружной составляющей этой силы. Корреляции всплесков вибрации с определенными частотами возбуждения регулирующих клапанов свидетельствует о начале автоколебаний.
Большие проблемы вызывают т.н. квазистационарные вибрации, рождающиеся из взаимосвязи направленности виброскорости по времени или нагрузке и соответствующих пульсаций в клапанах. Причинами квазистационарной вибрации могут быть и тепловые дисбалансы, режимная и тепловая расцентровка и др. В ряде случаев наблюдается скачкообразный характер изменения параметра интенсивности вибраций, и его повышенный уровень. Существенный вклад должна вносить аэродинамическая нестационарность процесса, влияющая на нестационарный характер колебаний и вибрации турбины. Признаком такой вибрации от процессов в системе парораспределения может служить увеличение вибрации мелкими скачками, неравномерно распределенными по времени. Другим признаком может быть избирательность неравномерности вибрации по частотному диапазону, соответствующему собственным частотам колебаний регулирующих клапанов.
Признаком автоколебательных и акустических явлений в системе парораспределения можно считать богатый спектр высокочастотных составляющих пульсаций. Однако однозначную трактовку дать достаточно трудно. Так, при отрыве затвора от седла могут возникать ударные нагрузки из-за высоких уровней пульсаций давления. Они, в свою очередь, вызовут сложные колебания и вибрацию сопряженных узлов.
Сложно диагностируются акустические эффекты в системе парораспределения. Например, наличие при малых степенях открытия клапана сверхзвуковых течений в области его чаши приводит к возможности формирования акустических резонансов. В большей степени подобные эффекты могут инициировать разного рода отрывы потока, а также поперечные колебания затворов клапанов.
Как показано в исследованиях ЦКТИ, среди таких определяющих факторов влияния на повреждаемость подшипников, как особенности центровки подшипников и линии валопровода, эксплуатационные расцентровки опор под воздействием валопровода и нагрева фундаментов, проблемы тепловых расширений цилиндров и скольжения корпусов подшипников по опорным поверхностям фундаментных рам, фактор влияния вибрационных характеристик системы парораспределения на уровень вибрации ротора турбины является равнозначным.