ОПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
О ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРОКОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ГОФРОКАРТОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОВОРОТНЫХ КЛАПАНОВ NELES ROTARY GLOBE METSO AUTOMATION
Горобченко С.Л.
Руководитель направления
ЗАО METSO AUTOMATION.
Бондарчук М.А.
Генеральный директор
Свинарев Е., главный специалист
группа компаний «АБК»
ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫПАРОПОТРЕБЛЕНИЯ НА КРУПНЫХ ГОФРОАГРЕГАТАХ.
В настоящее время рынок гофрокартона развивается наибольшими темпами по сравнению с другими видами упаковки. Так в период с 1998 по 2002 год общий рост составлял от 15 до 43% в год (по лучшим предприятиям). При этом пока еще не достигнут уровень производства гофрокартона 1989 года (примерно 2 млрд. м2 в год) и составляет на сегодняшний момент 1,2 млрд. м2
Для обеспечения рынка создается значительное число гофропредприятий.
Сейчас отрасль представлена примерно 10 крупными предприятиями, имеющих высокоскоростные гофроагрегаты, скоростью до 300м\мин, шириной до 2500мм и производящих свыше 80млн м2 в год и более. Более 300 предприятий, имеют в своем составе гофроагрегаты меньшей производительности и рабочей ширины. Ежегодно закупаются и устанавливаются до 40 гофроагрегатов, как правило, небольшой ширины.
Значительны перспективы роста. В целом в РФ создано до 500 гофропроизводств, из них имеют гофроагрегаты до 200 предприятий. Ежегодно устанавливается еще порядка 15-20 гофроагрегатов различной производительности. В Европе отрасль производства гофрокартона представлена 700 крупными предприятиями, производящими гофрокартон с общим объемом выпуска до 40 кг на человека в год и до 24 млрд. м2 в год.
Для качественного выпуска гофрокартона необходимо подавать до 2-5т/ч, с давлением до 16 атм., и обеспечивать температуру по сушильным плитам гофроагрегата до 1800С. Скорости гофроагрегатов колеблются от 80 до 350 м/мин. Количество остановов и смен форматов в одну смену может доходить до 20 и более с остановкой гофроагрегата и блокированием подачи пара.
Особенностью производства с точки зрения эффективного потребления пара является с одной стороны высокая инерционность изменения параметров пара при регулирующем воздействии, с другой стороны высокие скорости формирования полотна гофрокартона. В результате, небольшие отклонения от технологического режима могут привести к тому, что количество брака будет измеряться сотнями или тысячами метров.
Уже созданные предприятия нуждаются в сокращении затрат и энергонезависимости от центральных котельных, что позволяет им лучше регулировать себестоимость. Учитывая, что рынок гофрокартона является наиболее зависимым от цен на упаковку на рынке и транспортного плеча, эффективность снижения затрат при качественном пароснабжении является актуальной задачей.
Одним из основных способов обеспечения качества гофрокартона является качественное гофрирование и сушка. Эти процессы обеспечиваются подачей пара качественных параметров. Это обусловливается тем, что сушка является частью технологического процесса, в котором должны поддерживаться высокие показатели в наиболее точных возможных пределах. Таким образом, пар в данном случае является не только энергообеспечивающим компонентом, но и важной составляющей частью технологии.
Чтобы обеспечить качественный пар регулируемых параметров, недостаточно использовать только пар от центральных котельных или ТЭС. В этом случае пар, рассчитанный на систему общего обогрева, часто имеет высокие колебания параметров, что может приводить к частому и значительному браку.
Другой проблемой являются значительные трудности при передаче пара на значительные расстояния. Если не выполняются жесткие требования, предъявляемые к качеству воды, и, соответственно, к процессу химводоподготовки, то в технологических узлах, например, гофровалах, сушильных плитах и цилиндрах, будут наблюдаться накипь и отложения, существенно снижающие коэффициент теплопередачи и КПД сушки и увеличивающие затраты на паропотребление. Сам пар, если не выдерживаются транспортные параметры, а именно, температура перегрева и избыточное давление, конденсируется уже в паропроводе от ТЭС. Результатом являются не только значительные трудности с регулированием из-за резкого изменения объема и, соответственно, расхода, неуправляемого процесса вторичного вскипания, но и высокая вероятность гидравлических ударов. С ростом длины паропроводов и теплотрассы в целом, появлением наслоений, ржавчины, увеличиваются затраты на транспортировку пара, возникает необходимость в дополнительных устройствах отвода конденсата. Возможности возврата конденсата значительно меньше, чем при использовании небольшого транспортного плеча, характерного для автономных котельных.
В связи с закрытием многих предприятий, потребление пара от магистральных ТЭС резко упало, накладные расходы ТЭС возросли, одновременно снижались затраты на поддержание оборудования центральных ТЭС в надлежащем состоянии из-за отсутствия денежных поступлений. Результатом стало несоразмерное повышение цен на отпуск теплоты и повышение эффективности использования автономных котельных. По данным ряда источников, установка собственной автономной котельной или ТЭС позволяет снизить затраты в 2,5 раза по сравнению с покупной энергией. С понижением ставок за кредиты эффективность внедрения автономных ТЭС или котельных возрастет еще больше, а срок окупаемости уменьшится.
Эффективное решение проблемы в целом заключается в одновременной модернизации и системы регулирования пароконденсатной системы гофроагрегатов с установкой современной системы автоматизации на базе поворотных регулирующих клапанов и автономной котельной, рассчитанной на работу в составе технологических установок.
ПОВОРОТНЫЙ КЛАПАН Т4-Т5 И NELES ROTARY GLOBE ДЛЯ ПАРОКОНДЕНСАТНЫХ СИСТЕМ. ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ.
За последние годы поворотные регулирующие клапаны начали вытеснять линейные и седельные клапаны с их традиционных областей применения в промышленности и уже заняли свою нишу в системах подачи пара в нефтехимической промышленности. Их основным достоинством во многом являются уменьшенные протечки, возможность регулировать грязные среды и малый размер. Общий вид клапана приведен ниже.
 |
Технические характеристики клапана приведены ниже:
| условный проход: 1/2” - 2” |
| •Диапазон классов давления: ASME #150 - #1500 |
| •Cv: 0.1 – 30 |
| •температура: -80…+425°C |
| •Герметичность: Class IV |
| •Материал корпуса: |
| -Стандартный CF8M и WCC |
| -Опции: Hastelloy C, Alloy 20, WC6, CF8 |
| •Сертификация: |
| -утечки: ISO 15848-1 class B |
| •фланцы: |
| -ASME S75.03 (globe length) (EN558-2) |
ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ КЛАПАНА
СНИЖЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОТЕЧЕК. Все возрастающее внимание к проблемам экологии, так же как и к потенциальным потерям продукции, означает, что большее внимание должно уделяться выбросам, связанным с плохой работоспособностью регулирующих клапанов. Эта тенденция сделала поворотные клапаны более привлекательными, поскольку они имеют собственные характеристики протечек значительно меньшие, чем у линейных клапанов. В линейных седельных клапанах и арматуре поднимающийся шток имеет тенденцию увлекать за собой и среду в область уплотнений и сальника, таким образом, вызывая значительные протечки через него. В противоположность этому, в связи с особенностью вращательного движения штока, поворотные клапаны не уводят загрязнения в область уплотнения или подшипника. Таким образом, поворотные клапаны значительно меньше подвержены протечкам через сальники и уплотнения, чем линейные седельные клапаны.
ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ТРЕНИЕ. Сальниковое уплотнение вызывает большинство усилий трения, которое есть в линейных седельных клапанах. Загрязнения наслаиваются в уплотнении и могут легко умножить силу, требуемую для движения поднимающегося штока. В поворотных клапанах область уплотнения остается чистой и любое трение в сальниковом уплотнении не увеличивается благодаря вращательному движению штока.
2.1. ПРИСОСЫВОЗДУХА. Мало внимания уделяется тому, что одной из причин низкой эффективности систем, где работают седельные клапаны, являются присосы воздуха. При наличии загрязненных сред и возвратно-поступательном движении штока создаются отличные условия для быстрого снижения герметичности сальникового уплотнения. Результатом этого для пароконденсатных систем, работающих при пониженном давлении и вакууме, являются присосы неконденсирующегося воздуха. Воздух, накапливаясь в технологических элементах, снижает эффективность теплоотдачи, энергия безвозвратно теряется на транспортировку воздуха, снижая в целом эффективность работы установки. Снижается оптимальная разница давлений, повышается аэрация конденсата и вероятность вторичного вскипания, повышается давление в конденсаторе, снижается эффективность работы и КПД в целом. Для примера можно сказать, что повышение давления на 1 КПа для турбин с начальным давлением 13-14 МПа, снижает мощность и КПД установки на 0,9-0,9%. Близкие цифры характерны и для пароконденсатных систем. Учитывая, что для поворотных отсечных клапанов используются специальные устройства интеллектуальной отсечки SWITCHGUARD, гарантирующих плотную отсечку по высокому классу герметичности, применение поворотных клапанов в вакуумных системах и системах откачки конденсата при пониженном давлении будет весьма эффективным. Однако, это не устраняет необходимости в качественном монтаже, контроле сварных швов, контроле фланцевых и сальниковых соединений вакуумных систем.
3. КОМПАКТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ. Поворотные клапаны компактны и могут быть установлены на трубопроводе в практически любом положении. Это может внести свой вклад в более компактную и менее дорогую конфигурацию трубопровода. Благодаря своему малому весу поворотные регулирующие клапаны требуют меньше конструктивных поддерживающих элементов, типа хомутов, кронштейнов и др. Их компактная конструкция также означает, что поворотные клапаны легче устанавливать, и они больше сопротивляются вибрации, чем традиционные линейные седельные клапаны.
4. ЗАСОРЫ, КАВИТАЦИЯ И ШУМ. Особенностью пароконденсатной или парожидкостной смеси является сложность процессов, происходящей в ней и значительное влияние, как на характеристики регулирования, так и на состояние клапана. Разберем подробнее каждое из них.
4.1. ЗАСОРЫ. Жидкости, содержащие примеси и грязь, формируют очень требовательные условия применения для регулирующих клапанов, которые имеют тенденцию к заеданию или засорению. Доказано, что поворотные клапаны не восприимчивы к засорению по сравнению с седельными клапанами. Поворотные клапаны могут быть выполнены конструктивно со специальными затворами для исключения засоров, уменьшения шума и кавитации и\или специальным шабрирующим седлом для перекачки особо «трудных» сред.
4.2. КАВИТАЦИЯ. Обычные поворотные регулирующие клапаны могут иметь более низкое сопротивление кавитации, чем линейные седельные клапаны. Однако, поворотные клапаны, оснащенные затворами для устранения кавитации и уменьшения шума, такими как NELES Q-TRIM, гарантируют сопротивление кавитации и уменьшение шума, тем самым, увеличивая область применения поворотных клапанов. Новый клапан NELES ROTARY GLOBE имеет кавитационные характеристики такие же, как и стандартные линейные седельные клапаны и даже лучше, если использовать специальные отбалансированные антикавитационные затворы, пригодные для применения при высоком давлении.
4.3. ВИБРАЦИИ ТРУБОПРОВОДА. Значительный размер седельных клапанов, большой вес и нагрузка на трубопровод, склонность к высокой амплитуде колебаний и резонансу при автоколебательном режиме могут приводить к более частым выходам из строя и срыву режимов. В этом случае более компактные поворотные клапаны, в которых дополнительно используются элементы Q-TRIM для снижения собственной виброактивности клапана при входе в кавитационный режим, значительно снижают проблему. Если учесть, что СМАРТ решения предполагают ограничения по вибрации, то зачастую, ставить интеллектуальный привод и позиционер на седельный клапан или задвижку является нецелесообразным.
4.4. СРЫВ ПОТОКА. Большой проблемой является срыв потока из-за неоптимизированной проточной части и переход в нестационарное течение в результате срыва. Срыв потока с обтекаемой поверхности приводит к развитию нестационарного потока с большой амплитудой пульсаций давления. Это повышает динамические нагрузки и увеличивает гидравлическое сопротивление. Так, по опытным данным сопротивление седельных клапанов при полном открытии может достигать 5% от начального давления пара. Повышение надежности определится аэродинамическим совершенством канала, поскольку уровень возмущений в потоке прямо зависит от характера течения рабочей среды в канале. Это же позволит добиться полной безотрывности потока. Переход к прямоточным поворотным клапанам значительно облегчает такую задачу. Так, поворотные клапаны Т4 и Т5 имеют проходную проточную часть с небольшим сопротивлением, а клапан NELES ROTARY GLOBE имеет оптимизированную проточную часть по условиям течения потока. Их применение позволит стабилизировать расходные характеристики в целом за счет резкого снижения нестационарности и неустойчивости течения, также как и устранения срыва потока. Для конденсатных систем применение поворотных клапанов также важно и тем, что при падении давления по разным причинам в неоптимизированной проточной части седельных клапанов с высоким гидросопротивлением, наиболее вероятно вскипание конденсата и образование пара, который зачастую невозможно потом сконденсировать на пути в источник паропотребления.
4.5. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ. Автоколебания, возникающие как самоустановившийся процесс при определенных обстоятельствах очень характерен для двухфазных сред. При этом даже слабо пульсирующие давления имеют тенденцию к усилению и могут вызвать серьезные аварии. Сжимаемая двухфазная смесь в условиях стесненного движения по трубопроводу и ограничением возможности к расширению приводит к значительной пульсации и вибрации. В случае наложения дополнительных колебаний, может произойти авария. Так, анализ ряда аварий показал, что значительный перепад давлений возникал при быстром закрытии регулирующего клапана. Клапаны поворотного типа с более низким гидравлическим сопротивлением в меньшей степени склонны к появлению автоколебательного режима.
5. ДИАПАЗОН РЕГУЛИРОВАНИЯ. При использовании линейных седельных клапанов на низких углах открытия, поддержание точного расхода может быть затруднительно из-за того, что гидродинамические силы стремятся разорвать поток и процесс регулирования нарушается. Такие проблемы не наблюдаются в поворотных клапанах, которые могут точно регулировать поток, как только затвор начинает открываться. Точно выполненный и обработанный затвор NELES ROTARY GLOBE обеспечивает прецизионное регулирование от очень малых углов открытия и до положения «полностью открыто». Затвор в отбалансированном антикавитационном исполнении обеспечивает точный контроль, даже для применения в условиях высокого перепада давлений.
5.1. ДИАПАЗОН РЕГУЛИРОВАНИЯ И САР. Эффективность системы автоматического регулирования (САР) технологических процессов пароконденсатных систем и ТЭС во многом зависит от качества настройки автоматических регуляторов. Выбор оптимальных параметров и их реализация является одним из сложных и ответственных этапов в наладке САР. В энергетическом хозяйстве наиболее распространены 2х контурные САР, со стабилизационным и корректирующим регулированием. Из них наиболее эффективен малоинерционный регулятор со стабилизационным регулированием. Эти требования означают, что седельный клапан с непропорциональной и нелинейной характеристикой регулирования в этих условиях будет значительно менее эффективен, чем поворотный клапан.
6. ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СЕДЕЛ. Технология металлических седел - это сердце поворотных клапанов NELES уже более 50 лет. Она доказала свою эффективность для обеспечения плотной отсечки, длительного срока эффективной службы и относительно низкого поворотного запирающего момента. Ключевым фактором в производстве надежного, низкофрикционного, с длинным сроком службы поворотного клапана с металлическим седлом является правильное покрытие и технология материалов в добавление к отработанной конструкции металлических седел компании NELES.
КОНКУРЕНТНОСПОСОБНОСТЬ РЕШЕНИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫРЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРОКОНДЕНСАТНОЙ СИСТЕМЫ.
Поставка комплектной системы, включая контуры регулирования, систему автоматизации пароконденсатной системы совместно с автономными ТЭС и котельными является конкурентоспособным по следующим основным причинам:
1. ПО СИСТЕМАМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
1.1. Востребованность технологий энергосбережения и качественного регулирования, взамен существующих решений с седельными линейными клапанами. При этом предлагаемый клапан NELES ROTARY GLOBE сочетает в себе все достоинства поворотного и седельного клапана.
1.2. Востребованность новых технологий и новых клапанов для пароконденсатных сетей с двухфазным течением среды. Особенностью течения двухфазного потока является негомогенность и неравномерность потока, приводящее к его вскипанию. Проблемой является не только плавающие параметры регулирования, высокая колебательность регулирования, но и высокая вероятность гидравлических ударов. После волны давления, следующей за вскипанием потока, следует волна разряжения. Так, при давлении в 1-2 атм., вскипание потока может происходить за 1,8-2,2 сек, сила гидравлического удара при этом может достигать 16 атм. с затуханием за время прохождения 5-8 волн. Наиболее часто гидравлический удар такой силы может происходить как при открытии, так и закрытии задвижки. Но что еще хуже, при определенных положениях задвижки в двухфазных, особенно, конденсирующихся потоках, может наблюдаться автоколебания расхода. Для них необходимо дополнительно рассчитывать клапаны на устойчивость расхода. Поворотные клапаны с более широким диапазоном регулирования позволяет достичь лучшей эффективности регулирования в таких потоках.
1.3. С точки зрения автоматизации, в настоящее время только клапаны нового исполнения NELES ROTARY GLOBE, способны наиболее эффективно регулировать при высоком перепаде и диапазоне давлений. Также могут применяться специальные клапаны Т4, Т5 и другие.
1.4. имеются опробованные решения по регулированию подачи пара и отвода конденсата из технологических гофровалов, сушильных плит и др.
1.5. Экономия за счет снижения потерь продукции и стоимости обслуживания, благодаря высоким регулирующим и запирающим способностям клапана.
2. ПО ПЕРЕХОДУ НА АВТОНОМНЫЕ ТЭС И КОТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРА
2.1. Специализация на технологии производства гофрокартона, а не обогрева. Разница в требованиях к качеству технологического пара и пара для обогрева возрастает, что сказывается в противоречиях между потребителем и генерирующей компанией. Так, для обеспечения наивысших характеристик теплопередачи требуется чистый пар с высокими начальными параметрами, стабильностью его показателей и гарантией отсутствия конденсата, тогда как для обогрева требуется пар с обычными или нормальными параметрами и загрязненностью в соответствии с ГОСТ. Также важны и организационные причины. Например, потребление пара в условиях производства в настоящее время сопряжено с наличием заказов и выполнением их производством, тогда как при пользовании пара центральных ТЭС может быть истребована плата за установленную мощность, чему противоречит критерий минимальности затрат производства.
2.2. Специализированное исполнение как автономной котельной (потребуются специальные дополнительные устройства, гарантирующие отсутствие колебаний в подаче газа за счет лучшей комплектации газораспределительных устройств (ГРУ/ГРП), более тонких настроек горелок и др.)
2.3. Возможность транслирования технологии «автономная котельная + модернизация пароконденсатной системы» в другие отрасли, где требуется подобные решения (сушка пиломатериалов, системы технологического парового нагрева и др.).
2.4. Использование возможностей и оборудования сервисного центра МА и инжиниринговых возможностей группы компаний «АБК» (разработка проекта, согласование, разрешительная документация, монтаж и пуско-наладка, сопровождение при эксплуатации и др.).
2.5. Возможность перехода для объектов с большой площадью отопления на новый прогрессивный способ отопления. Пар потребляется только технологическими агрегатами, отопление в целом проводится более эффективными средствами, включая радиантные газовые обогреватели. В этом случае для материалов, требующих дополнительной сушки или отлежки, например, гофрокартона, появляется дополнительная возможность более эффективной досушки картона уже на участках вылежки, за счет более эффективного обогрева как листов в отдельности, так и кип гофрокартона.
2.6. Повышение эффективности при модернизации пароконденсатной системы также достигается с постепенным переводом крупных котельных предприятий на выработку кроме технологического пара и электроэнергии, например, при установке ГТУ (газотурбинных установок), что широко внедряется в настоящее время.
2.7. Дополнительное увеличение эффективности от повышения совершенства регулирования достигается при внедрении поворотных сегментных клапанов. Наиболее эффективно на таких участках и контурах ТЭС как деаэрация, ввод реагентов, обработка сточных вод, коррекция pH, нейтрализация воды, окисление сероводородов и других химических соединений, стабилизационная обработка воды и снижение коррозионной активности, предотвращение образования солей железа, дезинфекция, обеззараживание и др.
2.8. Со старением производственных мощностей крупных ТЭС (в настоящее время – это 20% генерирующих мощностей, к 2010 году их доля составит 50%, к 2020 году 90%) и при недостаточном инвестировании в крупные проекты востребованность автономного снабжения от собственных мини ТЭС возрастет. Уже сейчас каждая 10 ТЭС может быть отнесена к мини ТЭС (1-20 МВт). При этом экономичность будет не хуже. Так, строительство крупных ТЭС требует 20-30 млрд. Долл., срок строительства составляет 4-5 лет. Требуются значительные инвестиции на прокладку тепловых сетей и газораспределение. В случае использования мини ТЭС на базе ГТУ исключается транспортная составляющая тарифа, которая в общем объеме составляет до 45-50%. Сооружение мини ТЭС в 3-5 раз дешевле, чем крупных. Срок строительства контейнерных ТЭС – 1-2 мес., а строительства в стационарном варианте – не более 1 года. В целом, экономические преимущества мини ТЭС состоят в следующем:
2.8.1. значительное сокращение транспортных потерь.
2.8.2. уменьшение затрат в 2-3 раза на теплоту и электроэнергию и снижение себестоимости энергоемкой продукции (бумаги, картона, гофрокартона)
2.8.3. повышение надежности снабжения теплотой и энергией вследствие независимости роста мощности предприятий от централизованных энергосистем
2.8.4. достигаемое КПД – до 80-90%, что выше, чем у крупных ТЭС.