Odfukový ventil páry (hojoben) a pojistný ventil: rozdíl
Procházíte P&ID nebo popis řízení kotle či parní turbíny od japonského dodavatele. Na odbočce z hlavního parovodu je ventil označený 放蒸弁 (hojoben). Obsluha si všimne, že se otevírá při každém odstavení technologické jednotky, a někdo se ptá, zda jde o pojistný ventil, zda ho lze kvůli úspoře páry zavřít, nebo zda stačí zvýšit jeho nastavenou hodnotu.
Stručná odpověď: hojoben je odfukový ventil páry. Je to regulační ventil, který vypouští přebytečnou páru a brání tak růstu tlaku před sebou, typicky když náhle přestane odebírat velký spotřebič páry. Kotel nepřestane vyrábět páru ve chvíli, kdy omezíte palivo, a odfukový ventil tento časový rozdíl překlenuje. Pojistné ventily pak při běžných výkyvech provozu odfukují méně často. Pojistné ventily nenahrazuje, zůstávají poslední ochranou proti nadměrnému tlaku.
Průvodce vychází z příkladu hlavního parovodu. Vysvětluje, jak odfukový ventil pracuje, čím se liší od pojistného, redukčního a obtokového ventilu turbíny, kdy se otevírá a kolik páry a tepla odfuk stojí. Na konci najdete kontrolní seznam a otázky pro japonského dodavatele.
Obsah
Co je odfukový ventil páry (hojoben)?
Odfukový ventil je osazen na odfukovém potrubí, které odbočuje z parního potrubí, a mění své otevření podle tlaku před ventilem. Japonské slovo hojoben (放蒸弁) doslova znamená „ventil pro vypouštění páry“. V angličtině se stejná funkce popisuje názvy steam vent valve, steam dump valve a v elektrárnách také sky vent valve. Název na výkresech závisí na dodavateli, proto ověřujte funkci podle P&ID a popisu řízení, ne jen podle názvu.
Takové ventily najdete na hlavních parovodech, kde odfukují přebytečnou páru do atmosféry, i v rozvodech technologické páry v továrnách. Hlavní pára (v elektrárenské praxi admisní pára) je pára, kterou kotel vyrábí a vede do turbíny nebo k jiným spotřebitelům. Protože odfukové potrubí je samostatná odbočka z rozdělovače, který zásobuje spotřebiče, má systém kam páru odvést při náhlém poklesu odběru.
Obrázek 1: Hlavní parovod, odfukové potrubí a cesta signálu tlaku
Plné čáry jsou pára, čárkované čáry jsou měřicí a řídicí signály. Odfukový ventil a pojistný ventil jsou na samostatných odbočkách.
Schematický obrázek. Počet a umístění pojistných ventilů, místa jejich odvodu i případné signály tripu závisejí na návrhu zařízení. PT = převodník tlaku.
Jak ventil reguluje tlak
Převodník tlaku měří tlak před ventilem a regulátor tlaku ho porovná se žádanou hodnotou a vypočte potřebné otevření ventilu. Když tlak roste, regulátor ventil víc otevírá, odfukovým potrubím odchází víc páry a růst tlaku se zpomalí.
Jakmile se odběr obnoví nebo kotel sníží výrobu páry, přebytek se zmenšuje a ventil se přivírá. Na rozdíl od ventilu s polohami otevřeno/zavřeno odfukový ventil běžně škrtí: pracuje v mezilehlých polohách a množství vypouštěné páry přizpůsobuje potřebě.
U pneumatického ventilu přijímá pohon řídicí signál a pohybem vřetene mění průtočnou cestu. Pozicioner udržuje skutečnou polohu vřetene v souladu s požadovaným otevřením, takže uvnitř vnější tlakové smyčky běží malá polohová smyčka.
Když tlak neklesá, začněte tím, že si samostatně prohlédnete povel a skutečnou polohu ventilu. Obě situace vyžadují jiné kontroly. Povel, který neroste, vás většinou vrací k měření a regulátoru. Povel, který roste bez pohybu ventilu, vás většinou vede k pohonu, pozicioneru nebo samotnému ventilu.
Hluk při odfuku a tlumič hluku
Když se pára o vysokém tlaku vypouští do atmosféry, prudce expanduje v úzké průtočné cestě ventilu a poblíž výstupu. Takové proudění je velmi hlučné, a proto bývá odfukové potrubí vybaveno tlumičem hluku.
Tlumič snižuje hluk tím, že rozdělí páru na mnoho malých proudů a nechá ji expandovat v prostoru. Vybírá se pro konkrétní průtok a vstupní parametry. Samotná široká trubka na konci odfukového potrubí stejnou úlohu nesplní.
Obrázek 2: Schematický řez sedlem odfukového ventilu a tlumičem hluku
Mezera na sedle určuje průtok, děrovaná část tlumiče rozptyluje proud.
Oranžové šipky ukazují proudění. Pára projde otvorem sedla, uzavřeným horním koncem děrované trubky neunikne a boční otvory ji odvedou do atmosféry. Řez ukazuje jen funkci, skutečný tvar, počet stupňů a použití zvukově pohltivého materiálu se podle typu liší.
Při dimenzování berte ventil, potrubí k tlumiči a tlumič jako jeden odfukový systém. Jakýkoli protitlak na výstupu ventilu snižuje tlakový rozdíl na ventilu, takže kapacita samotného ventilu neříká, kolik páry celý systém odvede.
Součinitel průtoku Cv je výchozí bod pro kontrolu potřebného průtoku. V Evropě se obvykle používá Kv, přibližně platí Kv ≈ 0,865 · Cv. U páry potřebujete navíc vstupní tlak a teplotu a výstupní tlak, protože výpočet kapacity musí pracovat s párou jako se stlačitelnou tekutinou.
Místo odfuku přináší horkou páru a hluk a na potrubí navíc působí reakční síla proudu. Umístění výstupu mimo komunikace, uchycení potrubí a odvodnění nízkých míst se řídí projektovou dokumentací a návodem výrobce. Při vyhodnocení rizik a hlukové expozice postupujte podle předpisů BOZP platných ve vašem závodě.
Odfukový ventil a pojistný, redukční a obtokový ventil turbíny
Úkolem odfukového ventilu je pohlcovat tlakové výkyvy za provozu a udržovat parní systém stabilní. Vypouští přebytečnou páru, kterou běžná regulace spalování nestačí pohltit dost rychle, a omezuje tak zbytečná otevření pojistných ventilů.
Odfukový ventil reguluje tlak, pojistný ventil chrání zařízení před nadměrným tlakem. To, že je na vedení odfukový ventil, nepřebírá ochrannou funkci požadovanou od pojistných ventilů.
Pojistný ventil je poslední ochranné zařízení: když tlak dosáhne nastavené hodnoty, samočinně vypustí tekutinu. Žádné provozní pohodlí nesmí jeho otevření bránit, a když ventil odfoukne, je třeba zjistit příčinu růstu tlaku a stav ventilu. Odfukový ventil naopak funguje jen ve spolupráci snímače, regulátoru a pohonu a porucha kterékoli z těchto částí ovlivní jeho chování.
Následující tabulka shrnuje rozdíly mezi čtyřmi ventily, které se na parním systému často pletou.
| Ventil | Co reguluje nebo chrání | Kam pára jde |
|---|---|---|
| Odfukový ventil páry (hojoben) | Za provozu drží tlak před sebou vypouštěním přebytečné páry | Do atmosféry, obvykle přes tlumič hluku |
| Pojistný ventil | Poslední ochrana proti nadměrnému tlaku, samočinně se otevírá při nastaveném tlaku | Do vlastního místa odvodu |
| Redukční ventil | Reguluje tlak za sebou a zároveň dodává páru spotřebitelům | Ke spotřebitelům páry |
| Obtokový ventil turbíny | Otevírá cestu kolem turbíny | Do kondenzátoru (je-li tak navržen), takže se pára zachytí jako voda |
Souhra nastavení mezi běžným provozem a ochranou před přetlakem
Základní zásada: odfuk začíná nad běžným provozním tlakem kotle a tlak se zastaví dřív, než dosáhne nastaveného tlaku pojistného ventilu. Nejde jen o správné pořadí hodnot. Musí k sobě sedět i velikost běžných tlakových výkyvů a rychlost odezvy jednotlivých ventilů.
Obrázek 3: Tlaková pásma a funkce, která každé z nich zajišťuje
Nahoře je vyšší tlak. Nejde o stupnici skutečných nastavení ani rezerv.
Je třeba zohlednit i zavírací tlak pojistného ventilu. Skutečná nastavení určují platné předpisy, dovolený tlak chráněného zařízení a schválená specifikace zařízení a řízení.
Je-li nastavení odfuku příliš blízko běžnému provoznímu tlaku, závod vypouští páru už při malých výkyvech. Je-li příliš blízko nastavení pojistného ventilu, může tlak dosáhnout oblasti jeho činnosti dřív, než se odfukový ventil stačí otevřít.
Pojistný ventil se také nemusí znovu uzavřít při stejném tlaku, při kterém se začal otevírat. Například doporučení společnosti Spirax Sarco k výběru pojistných ventilů radí nastavit ventil dostatečně nad provozní tlak, aby se po odfuku mohl uzavřít ještě nad tímto tlakem. Pozor na pojem odfuk: u pojistných ventilů se tímto slovem někdy překládá i anglické blowdown (pokles tlaku do uzavření), což je něco jiného než vypouštění odfukovým ventilem.
Když obsluha vidí častý odfuk, nezvyšujte jen nastavenou hodnotu. Nejdřív porovnejte běžné kolísání tlaku, změny odběru páry, údaj převodníku a skutečný pohyb ventilu a teprve pak zvolte opatření, které odpovídá příčině.
Redukční ventil a obtokový ventil turbíny
Redukční ventil reguluje tlak za sebou (sekundární stranu) a dodává přitom páru spotřebitelům. Odfukový ventil reguluje tlak před sebou (primární stranu) tím, že se zbavuje přebytečné páry. Oba sledují jiný tlak a posílají páru na jiné místo.
Obtokový ventil turbíny (přepouštěcí stanice) otevírá cestu, kterou pára obchází turbínu. Vede-li obtok do kondenzátoru, pára se zachytí jako voda a neunikne do atmosféry, což je hlavní rozdíl proti odfukovému potrubí. Kondenzátor však přijme jen omezené množství páry při omezeném tlaku a teplotě, takže rozdělení úkolů mezi obtok a odfuk se určuje při návrhu celého systému včetně kondenzátoru.
Kdy se odfukový ventil otevírá
Na hlavním parovodu je odfuk potřeba, když spotřeba páry náhle klesne pod výrobu páry. Typické jsou tři případy: velký a náhlý pokles zatížení, trip turbíny a provoz pod minimálním stabilním zatížením kotle.
Náhlé poklesy zatížení
Když spotřeba páry klesne, například na konci ohřevové operace, pára, která proudila ke spotřebitelům, zůstane v potrubí navíc. Regulace spalování sníží výkon, ale dokud výroba páry nedosáhne nové úrovně, rozdíl zůstává a tlak roste.
Odfukový ventil tento přebytek vypustí a růst tlaku zmírní. Z různých změn zatížení zvedá tlak hlavně náhlý pokles odběru, kdežto náhlý nárůst odběru způsobuje opačný problém: nedostatek páry a pokles tlaku.
Při rozboru provozních záznamů se nedívejte jen na tlak. Zobrazte průtok páry a povel k výkonu spalování na stejné časové ose. Pokud odfuk časově souhlasí s přepnutím procesu, můžete dohledat, jak spolu souvisí odstavení spotřebičů a odezva kotle.
Při kontrole signálu převodníku tlaku ověřte také, jak se signál 4–20 mA vztahuje k měřicímu rozsahu. Nespoléhejte jen na číslo na obrazovce řízení, ale zkontrolujte, zda vstupní rozsah odpovídá skutečnému tlaku.
Trip turbíny
Trip je havarijní odstavení, které při poruše chrání zařízení. Když se vstupní ventily turbíny rychle zavřou, zmizí najednou velký spotřebič páry a tlak hlavní páry má tendenci stoupat.
I když odstavení začne například poruchou v elektrické síti, na tlak přímo působí přerušený tok páry. Neodvozujte chování odfukového ventilu jen ze signálu odstavení generátoru, ale čtěte je spolu s pohybem ventilů turbíny.
Obrázek 4: Rozdíl mezi odběrem a výrobou páry hned po tripu turbíny
Vstupní ventily se zavřou v čase 0. Dokud výroba kotle nedoběhne, potřebuje přebytek cestu ven.
Schéma, v němž odběr po uzavření ventilů klesne na nulu. Kromě času 0 nemá osa času ani průtoku stupnici. Pokles výroby páry, průtok odfuku ani doba odezvy ventilu neodpovídají hodnotám skutečného zařízení.
Některé závody nečekají na růst tlaku a využívají signál tripu k předběžnému otevření ventilu. Požadovanou rychlost otevření musí zajistit celý řetězec včetně pohonu a zpracování signálu, ne jen těleso ventilu.
Takové povely se obvykle zpracovávají v systému řízení (DCS) nebo podobném. Regulace podle tlaku a havarijní předběžný povel mají různý účel, takže specifikace řízení má také uvádět, který z nich má přednost.
Při návratu do provozu nepředpokládejte, že se odfukový ventil vrátí do normálu hned po resetu tripu. Řiďte se skutečnými podmínkami opětovného spuštění v zařízení, včetně vazby na otáčky turbíny a pohyb vstupních ventilů.
Odběr pod minimálním stabilním zatížením kotle
Každý kotel má minimální zatížení, při kterém dokáže stabilně hořet, a to závisí na palivu a způsobu spalování. Zůstane-li odběr pod touto hranicí a kotel dál běží, není dost odběru, který by pojal všechnu vyrobenou páru.
V takové situaci může být nutné dočasný přebytek odfouknout, aby se udržel tlak. Netýká se to jen kotlů na tuhá paliva. I u kotlů na kapalná a plynná paliva zkontrolujte minimální zatížení a regulační rozsah konkrétního typu.
Trvá-li nízký odběr dlouho, omezte odfuk přehodnocením počtu provozovaných kotlů a rozdělení zatížení mezi ně. Pokud odběr kolísá pravidelně v cyklech, je další možností parní akumulátor, který přebytečnou energii ukládá do horké vody. Hodí se tam, kde vychází doba nabíjení, využitelný rozsah tlaku i potřebná kapacita.
Příklad výpočtu: kolik odfuk stojí
Předpokládejme kotel s minimální stabilní výrobou páry 2,0 t/h, přičemž odběr klesl na 1,5 t/h. Pokud není akumulace tepla ani jiný systém, který by páru odebral, a tlak je v ustáleném stavu konstantní, je rozdíl 0,5 t/h přebytek. Všechny hodnoty v příkladu jsou předpoklady pro ilustraci.
Trvá-li takový odfuk 10 minut, ztratí se přibližně 83,3 kg páry. Průtok je zadán za hodinu, proto před násobením převeďte dobu z minut na hodiny.
Nyní předpokládejme měrnou entalpii páry 2 800 kJ/kg a doplňovací vody 400 kJ/kg. Vezmeme-li jako základ teplo potřebné k přeměně doplňovací vody zpět na páru, je ztracené teplo rozdíl obou hodnot násobený odfouknutou hmotností.
Následující tabulka ukazuje bilanci páry za předpokládaných 10 minut. Odfukový ventil sice drží tlak, ale teplo a voda v odfouknuté páře se ke spotřebitelům nedostanou.
Obrázek 5: Bilance páry za předpokládaných 10 minut
Odfukový ventil drží tlak, ale teplo a voda v odfouknuté páře spotřebitelé nedostanou.
| Kam pára jde | Průtok | Hmotnost za 10 min | Podíl z dodané páry |
|---|---|---|---|
| Dodáno z kotle | 2,0 t/h | asi 333,3 kg | 100 % |
| Spotřebováno spotřebiteli | 1,5 t/h | 250 kg | 75 % |
| Odfouknuto do atmosféry | 0,5 t/h | asi 83,3 kg | 25 % |
Při rozdílu entalpií 2 400 kJ/kg z příkladu odnáší odfouknutá pára 200 MJ. Procenta nejsou ztráta nákladů na palivo ani ztráta účinnosti kotle.
Energie 200 MJ za 10 minut odpovídá tomu, že se v průměru zahazuje asi 333 kW tepla. Pro přepočet na palivo potřebujete ještě účinnost kotle a výhřevnost paliva.
Ve skutečném výpočtu určete měrnou entalpii z tlaku a teploty páry. Tato bilance ukazuje jen řádovou velikost ztráty a je to jiný výpočet než tlakový nárůst hned po tripu nebo potřebná kapacita ventilu.
Kontrolní seznam: když se odfukový ventil otevírá příliš často
Než cokoli změníte, vložte začátek a délku každého odfuku do provozního záznamu technologie. Podle toho, zda ventil řeší krátké prudké změny, nebo zůstává otevřený po celou dobu nízkého odběru, se mění, které opatření přijde na řadu první.
- Tlak hlavní páry, odběr páry a výroba páry v kotli v čase
- Povel k otevření odfukového ventilu a skutečná poloha, čas signálu tripu
- Čas, kdy začne klesat výkon spalování, a zda kotel dosáhne minimálního zatížení
- Známky netěsnosti po zavření ventilu, změny hluku nebo vibrací
- Rozsah převodníku a škálování 4–20 mA proti tlaku zobrazenému na obrazovce
Netěsnosti nehledejte přiblížením k horkým částem a vřeteno ventilu v provozu neposouvejte rukou. Nejdřív shromážděte data z instalovaných přístrojů a samotný ventil kontrolujte jen podle postupů závodu pro odstavení a odpojení zdrojů energie.
Otázky pro japonského dodavatele
Pochází-li kotel nebo turbína z Japonska, tyto otázky vám pomohou získat informace, které bývají rozptýlené v P&ID, popisu řízení a datovém listu ventilu.
- Jakou funkci má ventil označený 放蒸弁 (hojoben): jen regulaci tlaku, nebo se otevírá i signálem tripu?
- Jaká je jeho žádaná hodnota tlaku a regulační pásmo a jak jsou sladěny s nastaveným tlakem pojistného ventilu a s jeho zavíracím tlakem?
- Které signály ho otevírají (tlak, trip turbíny, jiné blokády) a který z nich má v logice řízení přednost?
- Jaká je jeho poloha při výpadku vzduchu nebo napájení, včetně pomocných obvodů?
- Z jakého odfukového průtoku, vstupních parametrů a protitlaku se dimenzoval ventil, výstupní potrubí a tlumič hluku?
- Jak si rozdělují úkoly odfukový ventil a obtokový ventil turbíny a jaká jsou omezení kondenzátoru?
- Jaké podmínky musí být splněny, než se ventil po resetu tripu vrátí do běžné regulace?
- Jaká třída těsnosti uzavření (netěsnost sedla) je předepsána a jak se má netěsnost kontrolovat?
Normy a bezpečnost práce v Česku
Tlaková zařízení uváděná na trh v EU spadají pod směrnici 2014/68/EU (PED) a pro pojistné ventily se používá například norma ČSN EN ISO 4126-1. Japonské zařízení a jeho pojistné armatury se podle tohoto rámce nemusí hodnotit stejně, proto si u dodavatele vyžádejte doklad o posouzení shody a o normě, podle které byl pojistný ventil navržen a nastaven. Totožnost s japonskými normami nepředpokládejte.
Provoz, kontroly a revize tlakových zařízení i ochrana před hlukem a horkou párou se řídí českými předpisy včetně BOZP. Odpovědnost za nastavení pojistných zařízení má provozovatel s oprávněnými osobami, ne tento text.
Omezení tohoto průvodce
Článek vysvětluje obecnou funkci. Názvy ventilů, nastavené hodnoty, blokády i polohy při poruše se liší podle závodu, dodavatele a projektu, takže přednost mají výkresy, specifikace řízení a návody vašeho zařízení. Nastavení pojistných ventilů a ochranná zařízení musí odpovídat předpisům a normám platným v místě instalace a rozhodují o nich odpovědný technik a provozovatel zařízení. Čísla v příkladu výpočtu jsou jen ilustrační.
Časté otázky
Je porucha, když se odfukový ventil otevře?
Ne, pokud se otevírá tak, jak je navržen, například při náhlém poklesu zatížení nebo při najíždění a odstavování. Zůstává-li otevřený dlouho za podmínek, kdy je normálně zavřený, zkoumejte rozdíl mezi odběrem a výrobou páry i stav řízení.
Může odfukový ventil nahradit pojistný ventil?
Ne. Osazení odfukového ventilu není důvodem, proč vynechat ochranu, kterou zajišťuje pojistný ventil. Regulace tlaku a ochrana před přetlakem jsou dvě oddělené funkce a ochranná zařízení se musí osadit podle předpisů a specifikací platných pro dané zařízení.
Otevře se odfukový ventil vždy při výpadku vzduchu nebo napájení?
Nemusí. Polohu při poruše určuje návrh zařízení, včetně pohonu a pomocných obvodů. Z názvu ventilu nepředpokládejte, že se otevře, a ověřte chování při poruše v datovém listu ventilu a v podmínkách řízení pro výpadek vzduchu a napájení.
Když na výstupu nevidím bílou páru, znamená to, že ventil netěsní?
Z pohledu na místo odfuku nelze poznat, zda je ventil úplně zavřený. Kontrola netěsnosti využívá kromě údaje o poloze také průtok, teplotu a další data podle metody, kterou závod stanovil.
Můžeme odfuk kvůli úspoře energie zastavit?
Zablokovat odfuk, který je za provozu nutný k regulaci tlaku, je nebezpečné. Při úsporách snižujte přebytek u zdroje, tedy přizpůsobením výroby odběru nebo akumulací tepla, a odvodní cestu neuzavírejte.
Chování odfukového ventilu pochopíte, jen když sledujete výrobce i spotřebitele páry, ne pouze samotný ventil. Odhad ztrát z doby a průtoku odfuku je také praktický první krok v energetickém řízení závodu.
Zdroje
- Použití odfukového ventilu, vysoká teplota, vibrace a netěsnost sedla: Emerson, „Sky Vent Control Valve Solutions“
- Obtok turbíny při tripu: Emerson, „Sempell Model 115 Turbine Bypass Valve“
- Úloha pojistných ventilů: Sankyo Seisakusho, technické informace o pojistných a přepouštěcích ventilech (japonsky)
- Provozní tlak a rezerva zavíracího tlaku pojistných ventilů: Spirax Sarco, „Safety Valve Selection“ (jen obecné zásady nastavení, hodnoty ze zahraničních předpisů se na japonská zařízení nepřenášejí)
- Princip a konstrukce tlumiče hluku: Miura Environmental Science Laboratory, brožura o tlumičích hluku (japonsky)
- Tlumiče pro odfuk páry do atmosféry: SK Tech, tlumiče pro odfuk do atmosféry (japonsky)
- Kolísání odběru páry a akumulace tepla: Spirax Sarco, „Steam Accumulators“
Původní článek v japonštiněTento návod vychází z článku MONOSCOPE napsaného pro čtenáře v Japonsku: 放蒸弁とは？役割と作動する状況、安全弁・バイパス弁との違い
O redakci
Redakce MONOSCOPEFOUNDER & EDITORZhruba deset let praxe u výrobce průmyslových zařízení a v inženýrské firmě pro výstavbu závodů: nabídky, projektování a uvádění zařízení do provozu, poté přechod k online marketingu. Dnes webové poradenství pro výrobce B2B a pomoc s tím, aby srozumitelně představili své produkty a technologie. Japonské státní licence Energy Manager a hlavního elektroinženýra třetí třídy.
Od roku 2017 provoz technického blogu (přes 500 článků) a japonského kanálu na YouTube s přibližně 20 000 odběrateli. Každý návod vzniká z pohledu japonské výrobní haly a je ověřen podle citovaných norem.
