Редукционные клапаны: какой выбрать и в чем отличие?

Редукционные клапаны разные: зеленые, синие, красные.

Давайте попробуем разобраться без научных статей и погружения в гидрогазодинамику.

Часто встречаются так скажем альтернативные решения, а не оптимальные. Хотя инженерия — это творческая специальность с техническим уклоном, можно решить одну и ту же задачу разными способами и всё будет работать. Давайте разбираться.

Зачем снижать давление пара?

Существует несколько причин, по которым снижение давления не только желательно, но и технически или экономически оправданно.

Прежде всего, каждое паропотребляющее оборудование имеет определённое максимально допустимое рабочее давление пара. Если давление подаваемого пара превышает этот показатель, перед оборудованием необходимо установить редукционный клапан. Кроме того, на случай выхода редукционного клапана из строя, в системе, описанной выше, обязательно должен присутствовать предохранительный клапан.

Однако это далеко не единственная причина для снижения давления. Большинство паровых котлов изначально проектируются для работы при достаточно высоких давлениях. Эксплуатация котла на пониженном давлении относительно номинального нежелательна, поскольку в таких режимах возрастает вероятность уноса котловой воды с поверхности испарения, что приводит к выработке влажного пара. Поэтому с точки зрения долгосрочной экономической эффективности чаще всего оказывается выгоднее производить и распределять пар при высоком давлении, а снижать его непосредственно перед тем оборудованием, которое рассчитано на более низкие параметры давления/температуры.

Подобные системы обладают дополнительным преимуществом: благодаря сравнительно небольшому удельному объёму пара при высоком давлении распределительные паропроводы могут иметь относительно небольшие диаметры, что снижает материалоёмкость и теплопотери.

Нельзя забывать и о том, что температура насыщенного пара тесно связана с его давлением. Регулирование давления становится простым и эффективным способом точного поддержания температуры. Этот принцип успешно применяется в стерилизаторах, сушильных цилиндрах и другом оборудовании, где непосредственное измерение температуры поверхности с помощью датчиков затруднено.

При работе оборудования на паре низкого давления часто удаётся снизить общее количество пара, производимого котлоагрегатом, благодаря более высокой энтальпии испарения в точке использования. Кроме того, уменьшаются потери, связанные с образованием пара вторичного вскипания, например при сбросе через вентиляционные трубы конденсатных баков.

Помимо цветовой дифференциации редукционные клапаны можно разделить на три основные группы:

• клапаны прямого действия сильфонного типа;
• клапаны прямого действия диафрагменного типа;
• клапаны прямого действия с пилотным управлением.

Рассмотрим каждый тип подробно.

Клапаны прямого действия сильфонного типа.


В исходном состоянии настроечная пружина ослаблена. Давление среды перед клапаном вместе с усилием возвратной пружины прижимает плунжер к седлу, и клапан закрыт. При вращении настроечной головки по часовой стрелке настроечная пружина сжимается и воздействует на сильфон, который удлиняется. Нижняя часть сильфона перемещает шток, соединённый с плунжером. Плунжер опускается, открывая проход для среды, и пар начинает течь через клапан.

Степень открытия седла напрямую зависит от усилия, создаваемого настроечной пружиной, то есть от угла поворота настроечной головки. Вращение продолжается до тех пор, пока давление после клапана не достигнет заданного значения.

Пар, прошедший через седло, попадает в полость снаружи сильфона и сжимает его. Таким образом, усилие пружины уравновешивается давлением, обжимающим сильфон снаружи, и давление после клапана стабилизируется. Для закрытия клапана необходимо, чтобы давление вокруг сильфона повысилось. Это происходит, если давление ниже по течению за седлом превышает заданное значение пропорционально расходу пара.

При снижении нагрузки давление после клапана увеличивается и достигает максимума в момент полного закрытия клапана. Это означает, что фактическое давление после клапана будет равно заданному только при определённой нагрузке. В остальных случаях наблюдается пропорциональное отклонение от уставки, которое возрастает с ростом расхода пара.

Общее давление, необходимое для закрытия клапана, складывается из давления после клапана (действующего на внешнюю сторону сильфона), давления на входе (действующего на плунжер) и усилия возвратной пружины. Следовательно, усилие настроечной пружины должно превышать сумму этих трёх составляющих.

Любые изменения давления на входе меняют силу воздействия на плунжер и, соответственно, влияют на давление за клапаном.

Преимущества использования редукционных клапанов сильфонного типа:

• Компактность,
• Относительно не высокая стоимость.

Редукционные клапаны сильфонного типа имеют два основных недостатка:

• Наличие отклонения от заданного давления в пределах диапазона пропорционального регулирования при изменении расхода пара,
• Относительно небольшая пропускная способность.

Тем не менее, такие клапаны идеально подходят для множества простых применений, где точный контроль давления не критичен, а расход пара невелик и сравнительно постоянен. Они отличаются компактностью, низкой стоимостью и надёжностью в неответственных узлах.

Клапаны прямого действия диафрагменного типа.


Для установки на магистральных паропроводах, снабжающих крупных потребителей или целые группы оборудования, выпускаются редукционные клапаны прямого действия с очень высокой пропускной способностью. Их принципиальное отличие от редукционных клапанов с сильфонным узлом, заключается в том, что давление среды после клапана воздействует на шток не через сильфон, а через диафрагменный привод.

Однако, как и у сильфонных клапанов, давление после клапана изменяется при изменении расхода среды. Это обстоятельство необходимо учитывать при подборе оборудования.

При использовании диафрагменного клапана на паре привод должен располагаться ниже трубопровода. Импульс давления подаётся на диафрагму через специальный разделительный сосуд, заполненный водой, который защищает диафрагму от воздействия высокой температуры. Такая схема требует более сложного монтажа, но позволяет работать с большими расходами и при более высоких параметрах теплоносителя.

Преимущества использования редукционных клапанов диафрагменного типа:

• Высокая пропускная способность,
• Надежная работа при паре посредственного качества и в условиях повышенной вибрационной нагрузке.

Редукционные клапаны диафрагменного типа имеют три основных недостатка:

• Сравнительно большие габаритные размеры,
• Относительно грубая настройка давления,
• Наличие отклонения от заданного давления в пределах диапазона пропорционального регулирования при изменении расхода пара.

Клапаны прямого действия с пилотным управлением.


В тех случаях, когда требуется точный контроль давления, применяются редукционные клапаны с пилотным управлением. Обычно они имеют меньшие габаритные размеры по сравнению с клапанами диафрагменного типа той же пропускной способности.

Принцип работы:

В основе работы лежит принцип уравновешивания давления после клапана усилием настроечной пружины. Эта функция реализуется с помощью трубки отбора импульса давления, по которой среда после клапана отводится в камеру под пилотной диафрагмой. Степень открытия пилотного клапана пропорциональна величине управляющего давления, которое через балансировочную трубку поступает под главную диафрагму.

Перемещение главной диафрагмы вверх приводит к движению штока главного клапана и связанного с ним плунжера. Таким образом, степень открытия плунжера главного клапана пропорциональна открытию пилотного клапана.

Хотя давление после клапана прямо пропорционально степени открытия пилотного клапана, механическое преимущество, обусловленное соотношением площадей главной и пилотной диафрагм, позволяет добиться высокой точности регулирования даже при малом диапазоне настройки.

Поведение при изменениях нагрузки и давления.

В условиях стабильной нагрузки давление под пилотной диафрагмой уравновешивает усилие настроечной пружины. Положение штока пилотного клапана стабилизируется, и давление под главной диафрагмой остаётся постоянным. Соответственно, положение главного клапана и давление после него не меняются.

Если давление на входе повышается, усилие под пилотной диафрагмой превышает усилие настроечной пружины, и пилотная диафрагма перемещается вверх. Пилотный клапан закрывается, и управляющее давление перестаёт передаваться под главную диафрагму. На главную диафрагму сверху постоянно действует давление после клапана, и поскольку теперь давление сверху выше, чем снизу, главная диафрагма опускается вниз. Давление пара из-под диафрагмы сбрасывается через балансировочную трубку с калиброванным отверстием в трубопровод после клапана. Давление с обеих сторон главной диафрагмы уравновешивается, и небольшая избыточная сила возвратной пружины главного клапана закрывает его.

Любые колебания нагрузки или давления немедленно отслеживаются пилотным клапаном, который, изменяя управляющее давление, перемещает плунжер главного клапана строго пропорционально этим колебаниям. При этом давление после клапана остаётся практически неизменным.

Преимущества использования редукционных клапанов с пилотным управлением:

• Для значительного изменения расхода через основной клапан требуется минимальное изменение импульса отбираемого давления. Снижение давления после клапана по отношению к изменению расхода очень мало. Как правило, при переходе из полностью открытого состояния в полностью закрытое это снижение составляет менее 3 кПа,
• Клапан надёжно поддерживает заданное давление вне зависимости от колебаний давления на входе.

Редукционные клапаны пилотного типа имеют ряд основных недостатков:

• Клапаны с пилотным управлением чувствительны к качеству пара, а именно к его чистоте и степени сухости,
• Ограниченные расходные характеристики относительно клапанов диафрагменного типа.

Выбор и монтаж редукционных клапанов

Первый и важнейший шаг — правильный выбор типа клапана для конкретного применения.

Рекомендации по выбору типа:

• Когда расходы пара невелики и точное поддержание давления не требуется, можно использовать клапаны сильфонного типа.
• При больших расходах применяются клапаны диафрагменного типа.
• Во всех остальных случаях, особенно если в процессе работы возникают периоды, когда расход пара снижается до нуля и недопустимо повышение давления после редукционного клапана, наиболее подходящими являются клапаны с пилотным управлением.

Выбор диаметра.

Какой бы тип клапана вы ни выбрали, не следует использовать клапан большего диаметра (условного прохода), чем это необходимо. Если клапан работает на влажном паре, а плунжер постоянно находится вблизи седла, это приводит к преждевременному износу и эрозии пары «плунжер—седло». Кроме того, в клапане завышенного размера даже незначительное перемещение плунжера вызывает сильное изменение расхода, что делает точный контроль невозможным.

Клапан, диаметр которого правильно соответствует условиям применения, менее подвержен износу и обеспечивает более точное регулирование. В случаях, когда требуется значительно снизить давление или справляться с большими колебаниями расхода, целесообразно использовать два или несколько клапанов, установленных последовательно либо параллельно.

Монтаж и обвязка.

Хотя надёжность и точность зависят от правильности выбора типа и диаметра, эффективность работы редукционных клапанов прямого действия напрямую определяется качеством монтажа.

В большинстве случаев проблемы при эксплуатации связаны с содержащимися в паре влагой и/или грязью. Установка перед клапаном сепаратора пара и фильтра решает эти проблемы. Фильтр монтируется таким образом, чтобы его сетка была ориентирована в сторону — тогда эффективно используется вся поверхность фильтрации, а корпус не затапливается конденсатом. По этой же причине большие запорные клапаны иногда устанавливают маховиком в сторону.

Диаметры трубопроводов и арматуры до и после редукционного клапана выбираются так, чтобы падение давления на самом редукционном клапане соответствовало расчётным требованиям. Диаметры запорных клапанов до и после редукционного клапана обычно принимаются равными диаметрам самих трубопроводов. Использование запорных клапанов меньшего диаметра (например, равного диаметру редукционного клапана) может привести к значительным потерям давления.

Предохранительный клапан.

Если для расположенных после редукционного клапана паропотребляющего оборудования возможно превышение максимально допустимого расчётного давления, например, при выходе редукционного клапана из строя, то за редукционным клапаном должен быть установлен предохранительный клапан. Этот клапан должен быть рассчитан на пропуск всего расхода пара, который может пройти через полностью открытый редукционный клапан при максимально возможном давлении на входе.

Сравнительная характеристика типов клапанов.

Правильный выбор типа и диаметра клапана, качественный монтаж с обязательной установкой фильтра и, при необходимости, сепаратора, а также наличие предохранительного клапана — залог надёжной, эффективной и безопасной работы пароконденсатной системы.