Kendinden Tahrikli Basınç Kontrolleri ve Uygulamaları

Bu eğitimde, doğrudan çalışmalı körük kontrollü ve diyafram kontrollü vanalar ile pilot kumandalı vanalar dahil olmak üzere çeşitli kendinden tahrikli basınç kontrol türleri incelenmektedir; bunların nasıl doğru seçileceği ve kurulacağına ilişkin yönergelerle birlikte. Basınç düşürme vanaları, basınç koruma vanaları ve fazla basınç boşaltma vanaları ile birlikte bazı tipik uygulamalar ele alınmaktadır.

Buhar basıncı neden düşürülür?

Buhar basıncını düşürmenin başlıca nedeni oldukça temeldir. Her buhar kullanan ekipmanın izin verilen maksimum çalışma basıncı (MAWP) vardır. Bu değer buhar tedarik basıncından düşükse, tedarik basıncını MAWP ile sınırlandırmak için bir basınç düşürme vanası kullanılmalıdır. Basınç düşürme vanası arızalanırsa, sisteme bir emniyet vanası da dahil edilmelidir. Ancak bu, basınç düşürme vanasının avantajlı olarak kullanılabileceği tek durum değildir.

Çoğu buhar kazanı nispeten yüksek basınçlarda çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve daha düşük basınçlarda çalıştırılmamalıdır, çünkü ıslak buhar üretilmesi muhtemeldir. Bu nedenle, daha yüksek basınçta buhar üretmek ve dağıtmak, ardından daha düşük basınçta çalışacak şekilde tasarlanmış herhangi bir ekipmanın önünde basıncı düşürmek genellikle uzun vadede daha ekonomiktir.

Bu tür bir düzen, yüksek basınçta buharın kapladığı nispeten küçük hacim nedeniyle nispeten daha küçük dağıtım ana hatlarının kullanılabileceği ek avantaja sahiptir.

Doygun buharın sıcaklığı basıncıyla yakından ilişkili olduğundan, basınç kontrolü, doğru sıcaklık kontrolü sağlamak için basit ama etkili bir yöntem olabilir. Bu durum, yüzey sıcaklığının kontrolünün sıcaklık sensörleri kullanılarak gerçekleştirilmesinin zor olduğu sterilizatörler ve temaslı kurutucular gibi uygulamalarda iyi bir şekilde kullanılır. Düşük buhar basıncında çalışan tesis -

Düşük basınçlı buharda daha yüksek buharlaşma entalpisi nedeniyle kazanın ürettiği buhar miktarını azaltma eğiliminde olabilir.
Kondens toplama tanklarının açık havalandırmalarından oluşan flaş buhar kaybını azaltır. Mevcut çoğu basınç düşürme vanası aşağıdaki iki ana gruba ayrılabilir -
Doğrudan çalışan vanalar.
Pilot kumandalı vanalar.

Doğrudan Çalışan Vanalar

Küçük kapasiteli doğrudan çalışan basınç düşürme vanaları (Şekil 7.3.1) Çalışma yöntemi Başlangıçta ve ayar yayı gevşemişken, üst basınç bir dönüş yayı yardımıyla vana başlığını kapalı konumda oturur durumda tutar. El çarkını saat yönünde döndürmek aşağı doğru bir harekete neden olur ve kontrol yayını sıkıştırarak körüğü uzatır ve alt basıncı ayarlar. Bu aşağı doğru hareket, ana vanayı açan bir itme çubuğu aracılığıyla iletilir. Buhar daha sonra açık vanadan geçerek alt boru tesisatına girer ve körüğü çevreler. Alt basınç arttıkça, körük aracılığıyla etki ederek ayar yayının kuvvetini dengeler ve ayar basıncına ulaşıldığında ana vanayı kapatır. Vana fişi sabit basınç elde etmeye çalışarak modüle olur. Vanayı kapatmak için körük çevresinde bir basınç birikimi olmalıdır. Bu, alt basıncın buhar akışıyla orantılı olarak ayar basıncının üzerine çıkmasını gerektirir. Alt basınç, yük düştükçe artar ve vana kapalıyken en yüksek seviyede olur. Yükteki bir değişime karşılık bu basınç değişimi, alt basıncın yalnızca bir yükte ayar basıncına eşit olacağı anlamına gelir. Set noktasına kıyasla gerçek alt basın orantı sapmasıdır; yüke göre artar ve bu bazen ‘droop’ olarak adlandırılır. Vanayı kapatmak için mevcut toplam basınç, körüğün alt yüzeyine etki eden alt basınç artı ana vananın kendisinin alt yüzeyine etki eden üst basınç ve dönüş yayının ürettiği küçük kuvvetten oluşur. Kontrol yayının kuvveti, alt basıncın ayarlanabilmesi için indirgenmiş basınç ve üst basınç ve dönüş yayından daha büyük olmalıdır. Üst basınçtaki herhangi bir değişiklik, ana vana üzerinde ürettiği kuvveti değiştirecek ve böylece alt basıncı etkileyecektir. Bu tür basınç düşürme vanasının iki ana dezavantajı vardır -

Buhar akışı değiştikçe orantı sapması yaşar
Nispeten düşük kapasiteye sahiptir. Yine de, doğru kontrolün gerekli olmadığı ve buhar akışının oldukça küçük ve makul ölçüde sabit olduğu basit uygulamaların önemli bir yelpazesi için tamamen yeterlidir. Büyük kapasiteli doğrudan çalışan basınç düşürme vanaları (Şekil 7.3.2) Büyük kapasiteli doğrudan çalışan basınç düşürme vanaları, daha büyük kapasiteli tesislerde veya buhar dağıtım ana hatlarında kullanılmak üzere de mevcuttur. Küçük kapasiteli vanalardan biraz farklıdırlar; aktüatör kuvveti, bir körük yerine aktüatör içinde esnek bir diyfram üzerindeki basınçla sağlanır. Bunlar pilot kumandalı olmadığından, buhar akışı değiştikçe alt basınçta bir değişiklik meydana gelecektir ve bu, vanayı seçerken ve boyutlandırırken dikkatle göz önünde bulundurulmalıdır. Bu tür vana, buharla kullanıldığında borunun altına aktüatörle birlikte monte edilir ve aktüatörün genelde neoprenden yapılan esnek diyframına yüksek buhar sıcaklıklarının ulaşmasını ve zarar vermesini engellemek için bir su conta kabı vardır. Buhar ana hat basıncının düşürülmesi için tipik bir kurulum Şekil 7.3.3’te gösterilmektedir.

Pilot Kumandalı Vanalar

Basıncın doğru kontrolünün veya büyük akış kapasitesinin gerekli olduğu durumlarda, pilot kumandalı bir basınç düşürme vanası kullanılabilir. Böyle bir vana Şekil 7.3.4’te şematik olarak gösterilmiştir. Pilot kumandalı basınç düşürme vanası, aynı kapasitedeki doğrudan çalışan bir vanadan genellikle daha küçük olacaktır. Pilot kumandalı basınç düşürme vanası, alt basıncı bir basınç algılama borusu aracılığıyla basınç ayar kontrol yayına karşı dengeleyerek çalışır. Bu, bir pilot vanayı hareket ettirerek bir kontrol basıncını modüle eder. Pilot vana aracılığıyla iletilen kontrol basıncı, pilot vana açıklığıyla orantılıdır ve kontrol borusu aracılığıyla ana vana diyframının alt yüzeyine yönlendirilir. Diyfram, itme çubuğunu ve ana vanayı pilot vana hareketiyle orantılı olarak hareket ettirir. Alt basınç ve pilot vana konumu orantılı olsa da (doğrudan çalışan vanada olduğu gibi), ana diyfram ile pilot diyfram alanlarının oranı tarafından verilen mekanik avantaj, küçük orantı sapmasıyla doğruluk sağlar. Kararlı yük koşullarında, pilot diyfram altındaki basınç, ayar yayına ayarlanan kuvveti dengeler. Bu, pilot vanayı sabitler ve ana diyfram altında sabit bir basınç sağlar. Bu, ana vananın da sabitlenmesini sağlayarak kararlı bir alt basınç verir. Alt basınç yükseldiğinde, pilot diyfram altındaki basınç, ayar yayının oluşturduğu kuvvetten daha büyük olur ve pilot diyfram yukarı hareket eder. Bu, pilot vanayı kapatır ve buhar basıncının ana diyframın alt yüzeyine iletimini keser. Ana diyframın üstü her zaman alt basınca maruz kalır ve şimdi ana diyframın üstünde altından daha fazla basınç olduğundan, ana diyfram aşağı hareket ederek altındaki buharı kontrol borusu ve fazla basınç orifisi aracılığıyla alt boru tesisatına iter. Ana diyframın her iki tarafındaki basınç dengelenir ve ana vana dönüş yayının oluşturduğu küçük bir fazla kuvvet ana vanayı kapatır. Yük veya basınçtaki herhangi bir değişiklik, ana vananın konumunu buna göre ayarlayacak olan pilot diyframda hemen hissedilir ve sabit bir alt basınç sağlanması garanti edilir. Pilot kumandalı tasarım, doğrudan çalışan vanaya göre bir dizi avantaj sunar. Ana diyfram odasını basınçlandırmak ve ana vanayı tam olarak açmak için çok az miktarda buharın pilot vanadan geçmesi gerekir. Bu nedenle, büyük akış değişiklikleri üretmek için çok küçük kontrol basıncı değişiklikleri yeterlidir. Buhar akışı değişikliklerine göre alt basınçtaki düşüş bu nedenle küçüktür, tipik olarak tam açık ile tam kapalı arasında bir barın yüzde üçünden az (3 kPa; 0.5 psi). Üst basınçtaki herhangi bir artış ana vanaya artan bir kapama kuvveti uygulayacak olsa da, aynı basınç artışı ana diyframın alt yüzeyine de etki edecek ve etkiyi dengeleyecektir. Sonuç, üst taraftaki değişikliklere bakılmaksızın alt basıncın yakın kontrolünü veren bir vanadır.

Bazı pilot kumandalı vana türlerinde, piston ana diyframın yerini alır. Bu, çok büyük boyutlarda ana diyfram gerektirecek daha büyük vanalarda avantajlı olabilir. Ancak, pistonun silindirinde takılması sorunları, özellikle küçük vanalarda yaygındır. Herhangi bir pilot kumandalı kontrol vanasından hemen önce bir süzgeç ve ayırıcı takılması önemlidir, çünkü temiz ve kuru buhar servis ömrünü uzatacaktır.

Basınç Düşürme Vanalarının Seçimi ve Kurulumu

İlk gerekli olan, belirli bir uygulama için en iyi vana tipini seçmektir. Doğru kontrolün gerekli olmadığı küçük yükler, basit doğrudan çalışan vanalar kullanılarak karşılanmalıdır. Diğer tüm durumlarda, özellikle alt basıncın yükselmesine izin verilmemesi gereken talebin olmadığı dönemler varsa, pilot kumandalı vana en iyi seçimdir. Her türlü kontrol vanasında aşırı boyutlandırmadan kaçınılmalıdır ve bu, düşürme vanaları için de geçerlidir. Işıklak buhar geçirirken oturağına yakın çalışan bir vana fişi, tel çekme ve erken aşınma yaşayabilir. Ayrıca, aşırı boyutlandırılmış vana fişinin herhangi küçük bir hareketi, vanadan geçen akışta nispeten büyük bir değişiklik üreterek vananın doğru kontrolünü zorlaştırır. Daha küçük, doğru boyutlandırılmış bir düşürme vanası, aşınmaya daha az eğilimli olacak ve daha doğru kontrol sağlayacaktır. Basınçta büyük düşüşler yapmanın veya geniş dalgalanmalarla başa çıkmanın gerekli olduğu yerlerde, iki veya daha fazla vanayı seri veya paralel olarak kullanmak tercih edilebilir. Güvenilirlik ve doğruluk doğru seçim ve boyutlandırmaya bağlı olsa da, basınç düşürme vanaları aynı zamanda doğru kuruluma da bağlıdır. Şekil 7.3.5, pilot kumandalı bir basınç düşürme vanasının kurulumu için ideal bir düzeni göstermektedir. Birçok düşürme vanası sorununa nem veya kir varlığı neden olur. Vanadan önce takılacak bir buhar ayırıcı ve ince gözlü süzgeç, bu tür sorunların önlenmesine yardımcı olacaktır. Süzgeç, gövdenin suyla dolmasını önlemek ve ekranın tüm alanının etkili olmasını sağlamak için yan yatırılarak takılır. Büyük izolasyon vanaları da aynı nedenle yan yatırılarak kurulumdan faydalanacaktır. Tüm alt ve üst boru tesisatı ve fittings, tek önemli basınç düşüşünün düşürme vanasının kendisinde gerçekleşmesini sağlamak için yeterli boyutta olmalıdır. İzolasyon vanaları, düşürme vanası bağlantılarıyla aynı boyuttaysa, üst ve alt boru tesisatının doğru boyutlandırılmış daha büyük çaplarıyla eşleşecek şekilde boyutlandırılmaları durumuna kıyasla daha büyük bir basınç düşüşüne neden olur.

Alt boru tesisatı veya bağlı herhangi bir tesis, mümkün olan maksimum üst basınca dayanamıyorsa, alt tarafa bir emniyet vanası veya tahliye vanası takılmalıdır. Bu vana, ekipmanın izin verilen maksimum çalışma basıncında veya altında ayarlanmalı, ancak normal çalışma basıncının üzerinde yeterli bir marj bırakılmalıdır. Maksimum olası üst basınçta, tam açık düşürme vanasından geçebilecek tam buhar hacmini işleyebilmelidir.

Pilot kumanda ayrıca, düşürme vanasının benzer kapasite ve doğruluğa sahip diğer vanalara göre nispeten kompakt olmasını sağlar ve açma-kapama çalışması, çift basınç kontrolü, basınç ve sıcaklık kontrolü, basınç düşürme ve fazla basınç boşaltma kontrolü ve uzaktan manuel ayar gibi çeşitli kontrol seçeneklerine izin verir. Bu varyasyonlardan üçü Şekil 7.3.6’da görülebilir.

Doğrudan çalışan ve pilot kumandalı kontrol vanaları, üst veya alt basınçları kontrol etmek için kullanılabilir. Basınç koruma vanaları (ve fazla basınç boşaltma vanaları) üst basıncı hissederken, basınç düşürme vanaları alt basıncı hisseder.

Basınç Düşürme Vanalarının Özeti

Alt basıncı hisseden ve kontrol eden bir vana genellikle ‘düşürme vanası’ veya ‘basınç düşürme vanası’ (PRV) olarak adlandırılır. Bu tür vanalar, bir kontrol vanasına, bir buhar akışölçere veya doğrudan bir prosese sabit buhar basıncı sağlamak için kullanılabilir. Basınç düşürme vanaları kapasite ve uygulama türüne göre seçilir.

Basınç Koruma Vanaları

Bazı uygulamalar, üst basıncın hissedilmesini ve kontrol edilmesini gerektirir ve bu tür vana genellikle ‘Basınç Koruma Vanası’ veya ‘PMV’ olarak adlandırılır. Basınç koruma vanaları, belirli uygulamalarda fazla basınç boşaltma vanaları veya tahliye vanaları olarak da bilinir. PMV uygulamasına bir örnek, buhar üretim tesisinin yetersiz olduğu, ancak buhar akışının prosese kritik olduğu bir durum olabilir. Buhar talebi kazan çıkışından fazlaysa veya kazan brülörü kapalıyken aniden yükselirse, kazan basıncı düşer; tesise giderek daha ıslak buhar sağlanır ve kazan çalışması tehlikeye girebilir. Kazan tasarım basıncında çalışabilirse, optimum buhar kalitesi korunur. Bu, kritik olmayan her uygulamaya (belki ısıtma tesisi veya evsel sıcak su tesisi) PMV’ler takılarak ve böylece kontrollü bir çeşitlilik getirilerek başarılabilir. Bunlar daha sonra üst basınç düştükçe kademeli olarak kapanarak temel servislere öncelik verir. Tüm tedariklerin gerekli kabul edildiği durumlarda, farklı maliyet etkileri olan bir dizi seçenek mevcuttur. En ucuz çözüm, kazan buhar çıkışına bir PMV takmak olabilir (bkz. Şekil 7.3.7’deki PMV 1). Bu, kazanda minimum buhar basıncını koruyacak, kazandan maksimum akışı düzenleyecek ve böylece tesise kaliteli buhar sağlayacaktır. Yoğun yüklenme dönemlerinde kritik olmayan ekipmanın kapatılması mümkünse, bu tesisin bu alanlarını besleyen dağıtım hatlarına veya branşman hatlarına PMV’ler takılabilir. Buhar kazanı aşırı yüklendiğinde, kritik olmayan tedarikler PMV 2 tarafından kademeli olarak kapatılarak kazanın ‘gerekli’ tesise uygun basınçta buhar akışı sürdürmesine izin verilir. Bir PMV’nin yetersiz kazan kapasitesinin neden olduğu sorunları her zaman çözemeyeceğinin farkında olunmalıdır. Bazen, tesis çeşitliliği az olduğunda, tek gerçek alternatif başka bir kazan ekleyerek üretim kapasitesini artırmaktır. Ancak, daha ucuz bir alternatif olan buhar akümülatörünün mümkün olduğu durumlar da vardır. Bu, düşük yük dönemlerinde fazla kazan enerjisinin depolanmasına izin verir. Kazan aşırı yüklendiğinde, akümülatör tesise kontrollü bir buhar salınımı sağlayarak kazan çıkışını artırır (bkz. Şekil 7.3.8). Şekil 7.3.8’de, kazan 10 bar g’de buhar üretmek üzere tasarlanmıştır ve tesisin geri kalanına hem 10 bar g hem de 5 bar g’de dağıtılır. PRV 1 bir basınç düşürme vanasıdır ve kazan kapasitesi eksi yüksek basınçlı buhar yükünü geçecek şekilde boyutlandırılmıştır. Boyutlandırma amaçları için, basınç düşürme vanası PRV 2’nin kapasitesi, akümülatörün çalışması için tasarlanan maksimum deşarj hızına ve süreye eşit olmalıdır, tasarım amaçları için diferansiyel basınç ise minimum çalışma akümülatör basıncı ile LP (düşük basınç) dağıtım basıncı arasındaki fark olmalıdır. Bu örnekte, PRV 2 muhtemelen yaklaşık 4.8 bar g’de açılacak şekilde ayarlanacaktır. PMV, bir basınç koruma vanasıdır ve boyutu akümülatörün gerektirdiği şarj süresi ve şarj sırasında mevcut fazla kazan kapasitesi tarafından belirlenir. Şarj sırasında, PMV üzerindeki basınç düşüşü nispeten küçük olma eğiliminde olduğundan, PMV oldukça büyük olma eğilimindedir, tipik olarak takıldığı hatla aynı boyuttadır. PMV genellikle kazan maksimum basınç ayarının hemen altında çalışacak şekilde ayarlanır. Toplam tesis yükü kazan kapasitesi dahilinde olduğunda, PRV 2 kapalıdır ve kazan, PRV 2’den biraz daha yüksek ayarlanmış PRV 1 aracılığıyla LP buhar yükünü besler. Kazandaki fazla buhar, kazan basıncının PMV set noktasının üzerine çıkmasına neden olur ve PMV akümülatörü şarj etmek için açılır. Akümülatör basıncı kazan basıncına eşitlenene kadar veya tesis yükü kazan basıncının tekrar PMV set noktasının altına düşmesine neden olana kadar şarj devam eder. LP buhar yükü artmaya devam ederse ve LP basıncını PRV 2 set noktasının altına düşürürse, PRV 2, PRV 1’den akan buharı tamamlayarak akümülatörden buhar sağlamak için açılır. Akümülatör kurulumunu tasarlamanın birden fazla yolu vardır; her biri dahil olan koşullara bağlı olacak ve bir maliyet etkisi olacaktır. Akümülatör konusu Modül 3.22 ‘Buhar Akümülatörleri’nde daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Basınç Boşaltma Vanaları

Üst basıncı hissedebilme yeteneği, bir buhar sisteminden fazla basıncın kontrollü ve güvenli bir şekilde boşaltılması için kullanılabilir. Fazla basınç boşaltma vanası, üst basınçtaki artış hissedildiğinde açılan bir PMV ile temelde aynıdır. Fazla basınç boşaltma vanası, buharı atmosfere bırakırken bazen ‘boşaltma vanası’ olarak adlandırılır. ‘Fazla basınç boşaltma vanası’, genellikle bir flaş kurtarma sistemindeki maksimum basıncı kontrol etmek için kullanılır. Flaş buhar talebi mevcut arzdan azsa, flaş basıncı yükselecek ve fazla basınç boşaltma vanası fazla buharı atmosfere bırakmak için açılacaktır. Fazla basınç boşaltma vanası, emniyet vanası ayarının altında bir basınçta çalışacak şekilde ayarlanacaktır. Önemli: Bu, buharın kontrollü bir şekilde atmosfere salınmasına izin verirken, tesis koşulları gerektiriyorsa bir emniyet vanasına olan ihtiyacı ortadan kaldırmaz. Şekil 7.3.9’da PRV, yüksek basınçlı (HP) kondens tarafından üretilen flaş buharın herhangi bir açığını kapatır ve fazla basınç boşaltma vanası fazla flaş buharı bir kondensöre veya atmosfere bırakır. Emniyet vanası, PRV’nin tam kapasitesi artı buhar kapanlarının kapasitesi ve flaş kabına beslenen diğer herhangi bir kaynağa göre boyutlandırılmıştır.