Điều khiển áp suất tự hành và ứng dụng

Các loại điều khiển áp suất tự hành khác nhau được xem xét trong hướng dẫn này, bao gồm van vận hành bằng bầu co giãn tác động trực tiếp và van vận hành bằng màng, cũng như van vận hành bằng pilot, cùng với hướng dẫn về cách chọn và lắp đặt chúng đúng cách. Van giảm áp được xem xét cùng với van duy trì áp suất và van xả áp, cùng với một số ứng dụng điển hình.

Tại sao cần giảm áp suất hơi?

Lý do chính để giảm áp suất hơi khá cơ bản. Mỗi thiết bị sử dụng hơi đều có áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP). Nếu áp suất này thấp hơn áp suất nguồn cung cấp hơi, thì phải sử dụng van giảm áp để giới hạn áp suất nguồn cấp theo MAWP. Trong trường hợp van giảm áp bị hỏng, van an toàn cũng phải được tích hợp vào hệ thống. Tuy nhiên, đây không phải là dịp duy nhất mà van giảm áp có thể được sử dụng một cách có lợi.

Hầu hết các lò hơi được thiết kế để hoạt động ở áp suất tương đối cao và không nên chạy ở áp suất thấp hơn, vì có thể tạo ra hơi ướt. Do đó, thông thường về lâu dài sẽ kinh tế hơn nếu sản xuất và phân phối hơi ở áp suất cao hơn, và giảm áp suất trước bất kỳ thiết bị nào được thiết kế để hoạt động ở áp suất thấp hơn.

Loại bố trí này có thêm lợi thế là có thể sử dụng đường ống phân phối tương đối nhỏ hơn do thể tích hơi chiếm giữ tương đối nhỏ ở áp suất cao.

Vì nhiệt độ hơi bão hòa liên quan chặt chẽ đến áp suất của nó, việc kiểm soát áp suất có thể là một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để cung cấp điều khiển nhiệt độ chính xác. Thực tế này được sử dụng tốt trong các ứng dụng như máy tiệt trùng và máy sấy tiếp xúc, nơi việc kiểm soát nhiệt độ bề mặt khó đạt được bằng cách sử dụng cảm biến nhiệt độ. Thiết bị hoạt động ở áp suất hơi thấp -

• Có xu hướng giảm lượng hơi được sản xuất bởi lò hơi do nhiệt bay hơi cao hơn ở hơi áp suất thấp.
• Sẽ giảm tổn thất hơi flash tạo ra từ các lỗ thông hơi mở trên bể thu ngưng tụ. Hầu hết các van giảm áp hiện có trên thị trường có thể được chia thành hai nhóm chính sau -
• Van tác động trực tiếp.
• Van vận hành bằng pilot.

Van tác động trực tiếp

Van giảm áp tác động trực tiếp công suất nhỏ hơn (Hình 7.3.1) Phương pháp vận hành Khi khởi động và với lò xo điều chỉnh được nới lỏng, áp suất thượng nguồn, được hỗ trợ bởi lò xo hồi, giữ đầu van ép vào đế ở vị trí đóng. Quay bánh xe điều khiển theo chiều kim đồng hồ sẽ tạo ra chuyển động hướng xuống, nén lò xo điều chỉnh và kéo dài bầu co giãn để thiết lập áp suất hạ nguồn. Chuyển động hướng xuống này được truyền qua cần đẩy, khiến van chính mở ra. Hơi sau đó đi qua van đã mở vào đường ống hạ nguồn và bao quanh bầu co giãn. Khi áp suất hạ nguồn tăng, nó tác động qua bầu co giãn để đối kháng lực của lò xo điều chỉnh, và đóng van chính khi đạt đến áp suất đã đặt. Nút van điều biến để cố gắng đạt áp suất không đổi. Để đóng van, phải có sự tích tụ áp suất xung quanh bầu co giãn. Điều này yêu cầu tăng áp suất hạ nguồn trên mức áp suất đã đặt theo tỷ lệ với lưu lượng hơi. Áp suất hạ nguồn sẽ tăng khi tải giảm và sẽ cao nhất khi van đóng. Sự thay đổi áp suất này tương ứng với thay đổi tải có nghĩa là áp suất hạ nguồn chỉ bằng áp suất đã đặt tại một tải duy nhất. Áp suất hạ nguồn thực tế so với điểm đặt là độ lệch tỷ lệ; nó sẽ tăng theo tải, và điều này đôi khi được gọi là ‘droop’ (sụt giảm). Tổng lực có sẵn để đóng van bao gồm áp suất hạ nguồn tác động lên mặt dưới của bầu co giãn cộng với áp suất đầu vào tác động lên mặt dưới của van chính và lực nhỏ được tạo ra bởi lò xo hồi. Do đó, lực lò xo điều chỉnh phải lớn hơn áp suất giảm và áp suất đầu vào cùng lò xo hồi để áp suất hạ nguồn có thể được thiết lập. Bất kỳ sự thay đổi nào trong áp suất đầu vào sẽ thay đổi lực mà nó tạo ra trên van chính và do đó ảnh hưởng đến áp suất hạ nguồn. Loại van giảm áp này có hai nhược điểm chính -

1. Bị ảnh hưởng bởi độ lệch tỷ lệ khi lưu lượng hơi thay đổi
2. Công suất tương đối thấp. Tuy nhiên, nó hoàn toàn phù hợp cho một phạm vi rộng các ứng dụng đơn giản trong đó điều khiển chính xác không cần thiết và lưu lượng hơi khá nhỏ và tương đối ổn định. Van giảm áp tác động trực tiếp công suất lớn hơn (Hình 7.3.2) ****Van giảm áp tác động trực tiếp công suất lớn hơn cũng có sẵn để sử dụng trên thiết bị công suất lớn hơn, hoặc trên đường ống phân phối chính. Chúng khác biệt nhẹ so với van công suất nhỏ ở chỗ lực truyền động được cung cấp bởi áp suất tác động lên màng linh hoạt bên trong bộ truyền động thay vì bầu co giãn. Vì chúng không phải loại vận hành bằng pilot, chúng sẽ gây ra sự thay đổi áp suất hạ nguồn khi lưu lượng hơi thay đổi, và điều này cần được xem xét cẩn thận khi chọn và tính cỡ van. Loại van này được lắp với bộ truyền động bên dưới đường ống khi sử dụng với hơi, và có bình chứa nước để ngăn nhiệt độ hơi cao tiếp cận và làm hỏng màng linh hoạt của bộ truyền động, thường được làm bằng neoprene. Một lắp đặt điển hình để giảm áp suất đường ống chính được thể hiện trong hình 7.3.3.

Van vận hành bằng pilot

Trong trường hợp cần kiểm soát áp suất chính xác hoặc công suất lưu lượng lớn, có thể sử dụng van giảm áp vận hành bằng pilot. Một van như vậy được thể hiện sơ đồ trong hình 7.3.4. Van giảm áp vận hành bằng pilot thường sẽ nhỏ hơn van tác động trực tiếp cùng công suất. Van giảm áp vận hành bằng pilot hoạt động bằng cách cân bằng áp suất hạ nguồn qua ống cảm biến áp suất so với lò xo điều khiển điều chỉnh áp suất. Điều này di chuyển van pilot để điều biến áp suất điều khiển. Áp suất điều khiển được truyền qua van pilot tỷ lệ với độ mở van pilot, và được dẫn qua ống điều khiển đến mặt dưới của màng van chính. Màng di chuyển cần đẩy và van chính theo tỷ lệ với chuyển động của van pilot. Mặc dù áp suất hạ nguồn và vị trí van pilot tỷ lệ với nhau (như trong van tác động trực tiếp), lợi thế cơ học được cung cấp bởi tỷ lệ diện tích màng chính so với màng pilot mang lại độ chính xác với độ lệch tỷ lệ nhỏ. Dưới điều kiện tải ổn định, áp suất dưới màng pilot cân bằng với lực được thiết lập trên lò xo điều chỉnh. Điều này ổn định van pilot, cho phép áp suất không đổi dưới màng chính. Điều này đảm bảo rằng van chính cũng ổn định, cung cấp áp suất hạ nguồn ổn định. Khi áp suất hạ nguồn tăng, áp suất dưới màng pilot lớn hơn lực do lò xo điều chỉnh tạo ra và màng pilot di chuyển lên. Điều này đóng van pilot và ngắt việc truyền áp suất hơi đến mặt dưới màng chính. Mặt trên màng chính chịu áp suất hạ nguồn tại mọi thời điểm, và vì bây giờ có nhiều áp suất hơn phía trên màng chính so với phía dưới, màng chính di chuyển xuống đẩy hơi bên dưới vào đường ống hạ nguồn qua ống điều khiển và lỗ áp suất dư. Áp suất hai bên màng chính được cân bằng, và một lực dư nhỏ được tạo ra bởi lò xo hồi van chính đóng van chính. Bất kỳ sự thay đổi nào về tải hoặc áp suất sẽ ngay lập tức được cảm nhận trên màng pilot, và sẽ điều chỉnh vị trí van chính tương ứng, đảm bảo áp suất hạ nguồn không đổi. Thiết kế vận hành bằng pilot cung cấp nhiều ưu điểm so với van tác động trực tiếp. Chỉ một lượng rất nhỏ hơi cần chảy qua van pilot để tạo áp buồng màng chính và mở hoàn toàn van chính. Do đó chỉ cần thay đổi rất nhỏ trong áp suất điều khiển để tạo ra thay đổi lớn trong lưu lượng. Sự sụt giảm áp suất hạ nguồn tương ứng với thay đổi lưu lượng hơi do đó rất nhỏ, thường ít hơn ba phần trăm bar (3 kPa; 0,5 psi) từ hoàn toàn mở đến hoàn toàn đóng. Mặc dù bất kỳ sự tăng áp suất thượng nguồn nào cũng sẽ áp dụng lực đóng lớn hơn lên van chính, sự tăng áp suất tương tự sẽ tác động lên mặt dưới màng chính và sẽ cân bằng hiệu ứng. Kết quả là một van cung cấp kiểm soát chính xác áp suất hạ nguồn bất kể biến đổi ở phía thượng nguồn.

Trong một số loại van vận hành bằng piston, piston thay thế màng chính. Điều này có thể có lợi trong các van lớn hơn, sẽ yêu cầu màng chính kích thước rất lớn. Tuy nhiên, các vấn đề với piston kẹt trong xi lanh thường xảy ra, đặc biệt ở các van nhỏ hơn. Điều quan trọng là bộ lọc và bộ tách phải được lắp ngay trước bất kỳ van điều khiển vận hành bằng pilot nào, vì hơi khô sạch sẽ kéo dài tuổi thọ sử dụng của nó.

Lựa chọn và lắp đặt van giảm áp

Điều kiện tiên quyết đầu tiên là chọn loại van tốt nhất cho một ứng dụng nhất định. Các tải nhỏ trong đó kiểm soát chính xác không cần thiết nên được đáp ứng bằng cách sử dụng van tác động trực tiếp đơn giản. Trong tất cả các trường hợp khác, van vận hành bằng pilot là lựa chọn tốt nhất, đặc biệt nếu có những thời kỳ không có nhu cầu mà áp suất hạ nguồn không được phép tăng. Nên tránh kích thước quá lớn với tất cả các loại van điều khiển và điều này cũng đúng với van giảm áp. Nút van hoạt động gần đế của nó khi dẫn hơi ướt có thể bị xói mòn dây và hao mòn sớm. Ngoài ra, bất kỳ chuyển động nhỏ nào của nút van quá lớn sẽ tạo ra thay đổi tương đối lớn trong lưu lượng qua van, làm cho van khó kiểm soát chính xác hơn. Van giảm áp nhỏ hơn, kích thước đúng sẽ ít bị mài mòn hơn và sẽ cung cấp kiểm soát chính xác hơn. Trong trường hợp cần giảm áp suất lớn hoặc đối phó với dao động tải rộng, có thể ưu tiên sử dụng hai hoặc nhiều van nối tiếp hoặc song song. Mặc dù độ tin cậy và độ chính xác phụ thuộc vào lựa chọn và tính cỡ đúng, van giảm áp cũng phụ thuộc vào lắp đặt đúng. Hình 7.3.5 minh họa bố trí lý tưởng cho việc lắp đặt van giảm áp vận hành bằng pilot. Nhiều vấn đề van giảm áp là do sự hiện diện của hơi ẩm hoặc bụi bẩn. Bộ tách hơi và bộ lọc với lưới mịn, nếu được lắp trước van, sẽ giúp ngăn chặn những vấn đề này. Bộ lọc được lắp ngang để ngăn thân van chứa đầy nước và đảm bảo toàn bộ diện tích lưới hoạt động hiệu quả. Các van cô lập lớn cũng sẽ có lợi khi được lắp ngang vì lý do tương tự. Tất cả đường ống và phụ kiện thượng nguồn và hạ nguồn phải được tính cỡ đầy đủ để đảm bảo rằng sự sụt áp đáng kể duy nhất xảy ra tại chính van giảm áp. Nếu các van cô lập có cùng kích thước với kết nối van giảm áp, chúng sẽ gây ra sụt áp lớn hơn nếu được tính cỡ phù hợp với đường kính lớn hơn của đường ống thượng nguồn và hạ nguồn.

Nếu đường ống hạ nguồn hoặc bất kỳ thiết bị nào kết nối không thể chịu được áp suất tối đa thượng nguồn có thể, thì van an toàn hoặc van xả phải được lắp ở phía hạ nguồn. Van này nên được thiết lập tại hoặc dưới áp suất làm việc tối đa cho phép của thiết bị, nhưng với biên độ đủ lớn trên áp suất vận hành bình thường. Nó phải có khả năng xử lý toàn bộ thể tích hơi có thể đi qua van giảm áp hoàn toàn mở, ở áp suất thượng nguồn tối đa có thể.

Vận hành bằng pilot cũng cho phép van giảm áp tương đối nhỏ gọn so với các van khác có cùng công suất và độ chính xác, và cho phép nhiều tùy chọn điều khiển, như vận hành bật-tắt, điều khiển áp suất kép, điều khiển áp suất và nhiệt độ, điều khiển giảm áp và xả áp, và điều chỉnh thủ công từ xa. Ba biến thể này có thể được thấy trong hình 7.3.6.

Van điều khiển tác động trực tiếp và vận hành bằng pilot có thể được sử dụng để kiểm soát áp suất thượng nguồn hoặc hạ nguồn. Van duy trì áp suất (và van xả áp) cảm nhận áp suất thượng nguồn, trong khi van giảm áp cảm nhận áp suất hạ nguồn.

Tóm tắt van giảm áp

Van cảm nhận và kiểm soát áp suất hạ nguồn thường được gọi là van ‘hạ áp’ hoặc ‘van giảm áp’ (PRV). Các van này có thể được sử dụng để duy trì áp suất hơi không đổi lên van điều khiển, lưu lượng kế hơi, hoặc trực tiếp lên quy trình. Van giảm áp được chọn dựa trên công suất và loại ứng dụng.

Van duy trì áp suất

Một số ứng dụng yêu cầu cảm nhận và kiểm soát áp suất thượng nguồn và loại van này thường được gọi là ‘Van duy trì áp suất’ hoặc ‘PMV’. Van duy trì áp suất còn được gọi là van xả áp hoặc van tràn trong một số ứng dụng nhất định. Một ví dụ về ứng dụng PMV sẽ là nơi thiết bị tạo hơi bị thiếu công suất, nhưng lưu lượng hơi rất quan trọng cho quy trình. Nếu nhu cầu hơi lớn hơn công suất lò hơi, hoặc đột ngột tăng khi bộ đốt lò hơi tắt, áp suất lò hơi sẽ giảm; hơi ướt hơn sẽ được cung cấp cho thiết bị và hoạt động của lò hơi có thể bị đe dọa. Nếu lò hơi có thể hoạt động ở áp suất thiết kế, chất lượng hơi tối ưu sẽ được duy trì. Điều này có thể đạt được bằng cách lắp PMV trên mỗi ứng dụng không quan trọng (có thể là thiết bị sưởi hoặc thiết bị nước nóng sinh hoạt), từ đó đưa ra sự đa dạng có kiểm soát cho thiết bị. Các van này sẽ dần đóng lại nếu áp suất thượng nguồn giảm, ưu tiên cho các dịch vụ thiết yếu. Nếu tất cả nguồn cung được coi là thiết yếu, có nhiều tùy chọn khác nhau, mỗi tùy chọn có chi phí khác nhau. Giải pháp rẻ nhất có thể là lắp PMV ở cửa xả hơi của lò hơi, (xem PMV 1 trong hình 7.3.7). Điều này sẽ duy trì áp suất hơi tối thiểu trong lò hơi, điều chỉnh lưu lượng tối đa từ lò hơi và, bằng cách đó, giữ hơi chất lượng tốt cho thiết bị. Nếu có thể tắt thiết bị không thiết yếu trong thời gian tải cao điểm, PMV có thể được lắp trong đường ống phân phối hoặc nhánh cung cấp cho các khu vực này của thiết bị. Khi lò hơi bị quá tải, các nguồn cung không thiết yếu sẽ dần bị đóng bởi PMV 2 cho phép lò hơi duy trì lưu lượng hơi cho thiết bị ‘thiết yếu’ ở áp suất phù hợp. Cần nhận thức rằng PMV không phải lúc nào cũng giải quyết được các vấn đề do công suất lò hơi không đủ. Đôi khi, khi có ít sự đa dạng thiết bị, chỉ có một giải pháp thực sự, đó là tăng công suất tạo hơi bằng cách thêm lò hơi khác. Tuy nhiên, có những dịp mà giải pháp thay thế rẻ hơn là bộ tích hơi có thể thực hiện được. Điều này cho phép năng lượng dư thừa của lò hơi được lưu trữ trong thời kỳ tải thấp. Khi lò hơi bị quá tải, bộ tích hơi tăng cường công suất lò hơi bằng cách cho phép giải phóng có kiểm soát hơi cho thiết bị (xem hình 7.3.8). Trong hình 7.3.8, lò hơi được thiết kế để tạo hơi ở 10 bar g, được phân phối ở cả 10 bar g và 5 bar g cho phần còn lại của thiết bị. PRV 1 là van giảm áp, và được tính cỡ để dẫn công suất lò hơi trừ tải hơi áp suất cao. Để tính cỡ, công suất van giảm áp PRV 2 phải bằng tốc độ xả tối đa và thời gian mà bộ tích hơi được thiết kế để hoạt động, trong khi chênh lệch áp suất cho mục đích thiết kế phải là sự khác biệt giữa áp suất vận hành tối thiểu của bộ tích hơi và áp suất phân phối LP (áp suất thấp). Trong ví dụ này, PRV 2 có thể được thiết lập mở ở khoảng 4,8 bar g. PMV là van duy trì áp suất có kích thước được xác định bởi thời gian nạp lại mà bộ tích hơi yêu cầu và công suất lò hơi dư có sẵn trong quá trình nạp lại. Khi nạp lại, sụt áp qua PMV có thể tương đối nhỏ, vì vậy PMV có thể khá lớn, thường có kích thước bằng đường ống mà nó được lắp vào. PMV thường được thiết lập để hoạt động ngay dưới cài đặt áp suất tối đa của lò hơi. Khi tổng tải thiết bị nằm trong công suất lò hơi, PRV 2 đóng và lò hơi cung cấp tải hơi LP qua PRV 1 được thiết lập để điều khiển hơi cao hơn PRV 2 một chút. Bất kỳ hơi dư nào trong lò hơi sẽ khiến áp suất lò hơi tăng trên điểm đặt PMV, và PMV sẽ mở để nạp lại bộ tích hơi. Nạp lại sẽ tiếp tục cho đến khi áp suất bộ tích hơi bằng áp suất lò hơi, hoặc cho đến khi tải thiết bị khiến áp suất lò hơi lại giảm dưới điểm đặt PMV. Nếu tải hơi LP tiếp tục tăng, khiến áp suất LP giảm dưới điểm đặt PRV 2, PRV 2 sẽ mở để cung cấp hơi từ bộ tích hơi, bổ sung hơi chảy qua PRV 1. Có nhiều hơn một cách để thiết kế lắp đặt bộ tích hơi; mỗi cách sẽ phụ thuộc vào hoàn cảnh liên quan, và sẽ có tác động về chi phí. Chủ đề bộ tích hơi được thảo luận chi tiết hơn trong Mô-đun 3.22 ‘Bộ tích hơi’.

Van xả áp suất dư

Khả năng cảm nhận áp suất thượng nguồn có thể được sử dụng để giải phóng áp suất dư từ hệ thống hơi một cách có kiểm soát và an toàn. Van xả về cơ bản giống như PMV, mở ra khi cảm nhận được sự tăng áp suất thượng nguồn. Van xả đôi khi được gọi là van ‘xả’ khi giải phóng hơi ra khí quyển. ‘Van xả’ thường được sử dụng để kiểm soát áp suất tối đa trong hệ thống thu hồi hơi flash. Nếu nhu cầu hơi flash thấp hơn nguồn cung có sẵn, áp suất flash sẽ tăng và van xả sẽ mở để giải phóng bất kỳ hơi dư nào ra khí quyển. Van xả sẽ được thiết lập để hoạt động ở áp suất dưới cài đặt van an toàn. Quan trọng: Mặc dù điều này cho phép giải phóng có kiểm soát hơi ra khí quyển, nó không thay thế nhu cầu về van an toàn, nếu điều kiện thiết bị yêu cầu. Trong hình 7.3.9, PRV bổ sung bất kỳ sự thiếu hụt hơi flash nào được tạo ra bởi ngưng tụ áp suất cao (HP), và van xả giải phóng bất kỳ hơi flash dư thừa nào đến bộ ngưng tụ hoặc ra khí quyển. Van an toàn được tính cỡ dựa trên toàn bộ công suất của PRV cộng với công suất của bẫy hơi và bất kỳ nguồn nào khác dẫn vào bình flash.