Чтобы правильно выбрать криогенный регулирующий клапан, недостаточно знать DN трубопровода и минимальную температуру среды. Для расчета нужны состав продукта, его фазовое состояние, давление до и после регулирующего органа, минимальный и максимальный расход, требования к герметичности, параметры привода и логика АСУ ТП. Эти данные рассматривают вместе: подходящий материал корпуса не компенсирует ошибку в пропускной способности, а корректный Kv не решит проблему неправильно выбранного привода.
Особенно внимательно оборудование подбирают для производства, хранения и транспортировки СПГ. При дросселировании сжиженный природный газ может частично переходить в газовую фазу, а детали арматуры меняют размеры при охлаждении. Поэтому исполнение должно соответствовать всем расчетным режимам объекта.
Где применяется криогенная регулирующая арматура
Такое оборудование управляет потоком жидких и газообразных продуктов при криогенных температурах. На объектах СПГ его устанавливают на линиях сжижения, хранения, перекачки, погрузки, разгрузки и регазификации. Арматура также применяется на газоперерабатывающих предприятиях, установках подготовки газа и участках транспортировки низкотемпературных продуктов.
На установках разделения воздуха средой служат жидкий азот, кислород или аргон. Для кислородного режима дополнительно проверяют совместимость материалов, чистоту внутренних поверхностей и требования проекта к обезжириванию. Криогенные газы могут использоваться и в пищевой промышленности, например при быстром замораживании продукции.
Для объектов направления нефтегазовая промышленность заранее определяют функцию узла. В одном случае он поддерживает заданный расход, в другом должен еще и перекрывать линию с установленным классом герметичности. Регулирующая и запорная задачи предъявляют к седлу, затвору и приводу разные требования.
Основные параметры выбора криогенного регулирующего клапана
Подбор начинают с точного состава среды. В опросном листе указывают компонентный состав, фазу на входе, плотность, температуру, примеси и давление насыщенных паров. Эти параметры нужны, чтобы оценить поведение продукта при снижении давления.
Температуру задают для минимального расчетного, нормального и максимального режимов. Отдельно фиксируют температуру окружающего воздуха, порядок охлаждения и последующего отогрева. Клапан для низких температур нельзя выбирать по одной отметке из каталога: корпус, шток, затвор, седло и направляющие должны сохранять расчетную прочность и подвижность во всем диапазоне.
Для гидравлического расчета передают входное давление P1, выходное P2 и перепад ΔP. Кроме того, нужны расчетное давление корпуса и максимальный перепад при закрытом затворе. Одно значение рабочего давления не показывает нагрузку на проточную часть и привод.
Расход указывают в трех точках: минимальной, нормальной и максимальной. Рядом с каждой желательно привести P1, P2 и температуру. Если задан объемный расход газа, уточняют условия, к которым он приведен. Подбор только по максимуму часто дает завышенный размер: на обычном режиме узел работает при малом открытии и хуже удерживает задание.
DN трубопровода и пропускная способность Kv или Cv — разные параметры. Номинальный диаметр клапана не всегда совпадает с DN линии; такое решение подтверждают расчетом и предусматривают в проекте. Также проверяют диапазон регулирования, расходную характеристику, скорость среды, допустимый шум и возможный фазовый переход.
При сильном снижении давления часть жидкости может перейти в газовую фазу. Возрастает объемный расход, а через проточную часть движется двухфазный поток. Без учета этого режима выбранное устройство может подходить по DN, но не обеспечивать требуемую производительность.
Доступные исполнения представлены в разделе криогенной регулирующей арматуры. Окончательное решение принимают после расчета всех режимов и проверки проектных требований.
Конструкция, материалы и криогенная горловина
Главное внешнее отличие криогенного исполнения — удлиненная крышка, или криогенная горловина. Она выносит сальниковое уплотнение и навесное оборудование из наиболее холодной зоны, уменьшает передачу холода к приводу и помогает сохранить допустимую температуру уплотнений.
Длину горловины назначают с учетом температуры среды, толщины изоляции, положения при монтаже и размещения в холодном коробе. Слишком короткая конструкция может оставить сальниковый узел в зоне, где его материалы уже не сохраняют нужные свойства.
Материал корпуса оценивают вместе с внутренними деталями. Обозначение «нержавеющая сталь» само по себе не подтверждает пригодность для криогенного режима. Проверяют марку стали и ее свойства при минимальной температуре, а также материалы штока, направляющих, затвора, седла, крепежа и уплотнений.
При охлаждении детали сжимаются неодинаково. Если конструкция не учитывает эту разницу, меняются зазоры, усилие в седле и нагрузка на шток. Возможны заедание, рост утечек и увеличение усилия привода. Поэтому низкотемпературный вариант отличается от стандартного не одной удлиненной крышкой.
Отдельно оценивают протечку через закрытый затвор, внешние утечки через шток и соединения, а также прочность корпуса. Если узел должен регулировать расход и выполнять отсечную функцию, требуемый класс герметичности указывают в исходных данных.
В разделе клапаны можно сравнить разные типы проточной части. Шаровой или сегментный вариант иногда применяют для регулирования, но он не является автоматической заменой седельной конструкции. Решение зависит от расходной характеристики, перепада, шума, состава среды и требований к закрытию.
Как подобрать регулирующий клапан для СПГ
Регулирующий клапан для СПГ должен устойчиво работать при запуске, нормальной нагрузке, сниженной производительности и возможных отклонениях процесса. Поэтому опросный лист заполняют по всему диапазону, предусмотренному технологической схемой.
Сначала определяют место установки. Условия на линии жидкого СПГ отличаются от режима после дросселирования, где может появиться газовая фаза. На участке регазификации важны скорость изменения расхода и стабильность регулирования, а в резервуарном хозяйстве — продолжительная работа и требования к внешним утечкам.
Направление потока и положение корпуса согласуют с документацией производителя. Сальниковый узел не должен попадать в зону скопления жидкости, а изоляция — перекрывать элементы, к которым нужен доступ при обслуживании.
Даже правильно подобранный узел регулярно осматривают, проверяют на утечки и контролируют работу привода. До заказа оценивают доступ к сальнику, возможность замены внутренних деталей и наличие запасных частей.
Требования к испытаниям формируют заранее. В зависимости от проекта проверяют прочность и плотность корпуса, протечку через седло, внешние утечки, работу при криогенной температуре, материалы и функционирование привода. При приемке также фиксируют результаты контроля качества сборки. Универсального набора для всех объектов нет.
При шеф-монтаже специалист проверяет положение корпуса, направление потока, привязку к трубопроводу, установку привода и соответствие проекту. Это особенно важно при размещении арматуры в изоляции или холодном коробе.
Привод, позиционер и интеграция с АСУ ТП
Привод должен развивать достаточное усилие или крутящий момент при максимальном расчетном перепаде. В расчете учитывают силы от потока, трение уплотнений, температурное состояние деталей и установленный проектом запас.
На нефтегазовых объектах часто применяют пневматический привод. Для него задают схему действия, диапазон давления воздуха, объем камер и требуемое время хода. Одновременно определяют безопасное положение при потере воздуха или управляющего сигнала: закрыто, открыто либо сохранение текущего положения.
Позиционер сравнивает команду АСУ ТП с фактическим положением штока и корректирует подачу воздуха. Учитывают входной сигнал, ход, одинарное или двойное действие, давление питания, взрывозащиту, температуру вокруг прибора и необходимость обратной связи.
Навесное оборудование не должно находиться в криогенной зоне. Крепление, тяги и рычаги должны передавать движение без перекоса и свободного хода. При вибрации дополнительно проверяют монтажную схему.
После установки проводят пусконаладочные работы. Проверяют направление действия, крайние положения, обратную связь, время перемещения и реакцию на команду АСУ ТП. Испытание без рабочей среды не всегда показывает поведение узла после выхода на расчетную температуру.
Какие данные отправить на подбор и каких ошибок избежать
Для расчета нужен набор данных по процессу, трубопроводу, герметичности и управлению.
| Группа данных | Что указать | Зачем это нужно |
| Среда | Состав, фаза, плотность, примеси, давление насыщенных паров | Для гидравлического расчета и выбора материалов |
| Температура | Минимальная, нормальная, максимальная, температура воздуха | Для корпуса, уплотнений и длины горловины |
| Давление | P1, P2, ΔP, расчетное значение, аварийные режимы | Для проточной части и расчета привода |
| Расход | Минимальный, нормальный и максимальный | Для Kv/Cv и диапазона регулирования |
| Трубопровод | DN, класс давления, тип присоединения, материал | Для корпуса и монтажной схемы |
| Герметичность | Требования к затвору и внешним утечкам | Для седла, сальника и программы испытаний |
| Управление | Сигнал, время хода, безопасное положение, обратная связь | Для привода, позиционера и АСУ ТП |
| Документы | Стандарты проекта, сертификаты, объем приемки | Для подтверждения исполнения |
Чаще всего при подборе допускают следующие ошибки:
- выбирают арматуру только по DN трубопровода;
- передают один режим расхода без P1 и P2;
- не учитывают переход жидкости в газовую фазу;
- применяют стандартное исполнение только из-за нержавеющего корпуса;
- совмещают точное регулирование и аварийную отсечку без проверки конструкции;
- рассчитывают привод без максимального перепада и безопасного положения.
Если меняется ход, растут утечки или клапан перестает удерживать положение, проверяют проточную часть, привод, крепления, пневмолинии и позиционер. Для плановой диагностики предусмотрено сервисное обслуживание. При повреждении седла, штока, уплотнений или привода потребуется ремонт оборудованияс последующей настройкой и испытанием.
