Расчет предохранительных клапанов

В процессе эксплуатации котлов и сосудов различного назначения возможны случаи превышения в них давления среды относительно номинального, что может привести к разрушению в них барабанов, коллекторов, сосудов и другого оборудования.

Каждый элемент котла или технологического оборудования, внутренний объем которого с находящейся там средой ограничен запорными органами, должен быть защищен предохранительными устройствами, автоматически предотвращающими повышение дав­ления сверх допустимого путем выпуска рабочей сре­ды в атмосферу или утилизационную систему.

Для предотвращения взрывов в системах паро- и водопроводах паровых и водогрейных котлов, сосудах различного назначения и т.п. используют различные предохранительные клапаны (не путать с взрывными предохранительными клапанами!), которые автоматически сбрасывают давление среды, если оно начинает подниматься выше допустимого.

Каждый котельный агрегат или сосуд, работающий под давлением, должен быть снабжен предохранительным клапаном. В соответствии с нормативным документом [7] водогрейные котлы без барабанов с температурой воды до 115 ^оС производительностью менее 407 кВт должны иметь один предохранительный клапан, при большей производительности – два, один из которых контрольный.

Предохранительные клапаны должны за­щищать котлы, пароперегреватели и экономайзеры, сосуды различного назначения от превышения в них давления более чем на 10 % рас­четного (разрешенного). Превышение давления при полном открытии пре­дохранительных клапанов выше, чем на 10 % расчет­ного может быть допущено лишь в том случае, если это предусмотрено расчетом на прочность котла, па­роперегревателя и экономайзера, сосуда.

В качестве предохранительных устройств допускается применять:

а) рычажно-грузовые предохранительные клапа­ны прямого действия;

б) пружинные предохранительные клапаны пря­мого действия;

в) импульсные предохранительные устройства, состоящие из импульсного клапана и главного предохранительного клапана.

Установка тех или иных предохранительных устройств на оборудовании определяется нормативными документами Госгортехнадзора России.

Наиболее широко используемым, надежным, простым и легко регулируемым считается клапан рычажной конструкции, схема которого изображена на рис. 4.

На трубопровод приваривается фланец с седлом 4. Сам клапан 3 прижимается сверху рычагом 2, который с одной стороны закреплен на оси к трубопроводу 1, а с другой стороны имеет регулируемый груз 5.

За счет грузов и рычага клапан 3 плотно прижимается к седлу 4. При достижении средой давления в трубопроводе, равного давлению срабатывания клапана, клапан приподнимается вместе с рычагом, и пар или вода выходят из системы, давление при этом понижается. С помощью грузов 5 можно регулировать давление срабатывания (подъема из седла) клапана. К недостаткам таких клапанов следует отнести их громоздкость, быстрый износ зеркала седла под действием струи среды.

Рис. 4. Предохранительный рычажный клапан: 1  трубопровод; 2  рычаг; 3  клапан; 4 – седло клапана; 5  регулировочный груз

Н а передвижных котлах и кот­лах паропроизводительностью менее 35 т/ч должны устанавливаться пружинные предохранительные клапаны. Принципиальная конструкция такого клапана показана на рис. 5.

Рис. 5. Пружинный предохранительный клапан: 1 – корпус; 2 – натяжной винт с резьбой; 3 – шток; 4 – упорная шайба; 5 – пружина; 6 – тарелка клапана; 7 – трубопровод; 8 – седло клапана

В приваренном к трубопроводу корпусе 1 в верхней части имеется отверстие с резьбой, куда вворачивается натяжной винт 2. Винт внутри полый, и внутри этой полости может свободно двигаться шток 3, на конце которого закреплена тарелка клапана 6. Нижний конец винта 2 с шайбой 4 является упором для пружины 5, которая прижимает с определенной силой тарелку 6 к седлу клапана 8. За счет вкручивания винта 2 или его выкручивания можно регулировать силу прижимания тарелки к седлу клапана, т.е. регулировать давление открытия клапана. Корпус 1 имеет в верхней вертикальной части каналы для прохода среды при срабатывании клапана.

При проектировании в котельной нескольких водогрейных котлов без барабанов допускается вместо предохранительных клапанов на котлах предусматривать установку двух предохранительных клапанов диаметром не менее 50 мм на трубопроводе, к которому присоединены котлы. На «отключаемых по воде» экономайзерах один предохранительный клапан устанавливается на входе в экономайзер, другой – на выходе из экономайзера.

На барабанных котлах предохранительные клапаны устанавливаются на патрубках, присоединенных непосредственно к барабану котла без запорных устройств. Все клапаны снабжаются патрубками и трубами, позволяющими отводить рабочую среду в безопасное место при срабатывании клапана. Площадь сечения отводной трубы должна быть не менее двойной площади сечения предохранительного клапана.

Суммарная пропускная способность уста­навливаемых на паровом котле предохранительных устройств должна быть не менее номинальной паропроизводительности котла.

При проектировании диаметр для прохода среды d каждого предохранительного клапана принимается по расчету. Для котлов он рассчитывается по наибольшей его производительности по СНиП II-35-76 [7], мм:

при установке котлов с естественной циркуляцией

; (7)

при установке котлов с принудительной циркуляцией

, (8)

где Q  максимальная теплопроизводительность котла, МВт; n  количество клапанов; h_к высота подъема клапана, мм.

При расчете тепловой мощности котла Q_к необходимо учитывать температуру перегрева пара и его давление, а также температуру питательной воды.

Диаметры предохранительных клапанов должны приниматься по расчету, но не менее 40 мм при производительности котла до 280 кВт и не менее 50 мм при большей производительности.

Диаметр прохода (условный) рычажно-грузовых и пружинных клапанов должен быть не ме­нее 20 мм.

Допускается уменьшение условного прохода кла­панов до 15 мм для котлов паропроизводительностью до 0,2 т/ч и давлением до 0,8 МПа при установке двух клапанов.

Пример. Рассчитать диаметр минимального проходного сечения предохранительного клапана, устанавливаемого на барабане парового котла ДЕ-10-14. Паропроизводительность котла D составляет 10 т пара в час.

Решение. Определим тепловую мощность парового котла Q_к по формуле, МВт

.

Здесь для котла ДЕ-10-14 приято: энтальпия пара i_пп =3000 кДж/кг, энтальпия питательной воды i_пв = 460 кДж/кг.

Так как котел работает с естественной циркуляцией воды в экранных трубах и трубах конвективного пучка, то для определения минимального диаметра клапана для прохода среды d используем формулу (7):

мм.

Здесь принято, что устанавливаем один рабочий клапан n = 1, а высота подъема клапана h_к = 40 мм.