Построение инженерных систем складывается из множества мелких и крупных этапов, среди которых формулировка технического задания, выбор технического решения, подбор оборудования, выбор поставщика и многое другое. В системах, связанных с нагревом или охлаждением, применяется ряд компонентов, среди которых теплообменное оборудование, трубопроводная арматура и автоматика. Некоторые инженерные системы очень насыщены трубопроводной арматурой. Ее может быть так много, что, по сути, она и является основой системы.
Где применяется трубопроводная арматура? В инженерных системах промышленных предприятий: системах теплоснабжения, водоснабжения, в установках с транспортируемыми технологическими жидкостями и газами. Приведем простой пример инженерной системы с паровоздушными калориферами. Пар приходит в калорифер, конденсируется и передает тепловую энергию потока воздуха через оребренные трубки калорифера. Калориферы предназначены для нагрева воздуха в системах общеобменной вентиляции или технологических процессах. Многие считают калорифер центральным звеном системы. Да, но калорифер не работает без арматуры. То есть работает, но недолго. И работой это не назвать. Ошибкой является какое бы то ни было сравнение стоимости калорифера со стоимостью трубопроводной арматуры в его обвязке. Между тем такая постановка вопроса является распространенной. Это вещи, никак друг к другу не относящиеся. Например, многие прекрасные люди ходят в самой простой одежде и наоборот. Между тем без одежды люди не ходят вовсе.
Паровоздушные калориферы способны эффективно нагревать воздух в составе систем приточной вентиляции, воздушного отопления, технологических процессах. Однако по ряду причин могут происходить преждевременные выходы из строя, что приводит к незапланированным дорогостоящим покупкам новых калориферов, а также затратам на демонтаж неисправных и монтаж новых нагревателей. Часто это происходит и вовсе в неудобное время, например в морозы, когда объект остро нуждается в тепле, или ночью, когда обслуживающий персонал недоступен. Рассмотрим пять основных причин, приводящих к неисправности паровых воздушных нагревателей и в целом к проблемам при эксплуатации. Разберемся, при чем здесь клапаны, вентили, конденсатоотводчики и все остальное.
1. Эрозия внутренних поверхностей коллекторов и трубок. Причиной эрозии может быть как плохое качество пара, так и недопустимые скорости движения пара внутри калорифера. Под качеством пара понимается степень его сухости, то есть количество капельной влаги, находящейся в потоке пара и двигающейся с высокой скоростью. Влажный пар является весьма абразивной средой, которая способна провоцировать эрозию металла.
Некоторые производители котлов гарантируют сухость пара на выходе котла на уровне 99,5 %. Это означает, что 99,5 % является паром и 0,5 % в паре содержится капельной влаги. Это вполне достаточные требования для выхода котла, а также для транспортировки пара. Но когда пар приходит к потребителю, его фактическая сухость может быть значительно ниже. Порой она может опускаться до 95–80 %. Неудовлетворительные условия транспортировки пара являются весомыми причинами для ухудшения его качества.
Как только мельчайшие капли воды попадают в калорифер, они начинают буквально изнашивать его изнутри, как это происходит, например, в пескоструйных машинах. В зависимости от дизайна коллекторов и трубок внутренние скорости могут быть слишком высокие, что только усугубляет ситуацию.
К чему мы приходим? К применению сепараторов пара. Это с виду простое устройство, но не следует обманываться, что цена сепаратора такая же низкая, как его простой внешний вид. Чтобы сепаратор по-настоящему осушал пар, он должен иметь целый ряд свойств, указанных в технических описаниях, таких как: скорости пара, потери давления, эффективность сепарации и пр. Множество сепараторов, предлагаемых на рынке, являют собой третьи копии оборудования известных западных фирм, и никаких значимых характеристик в их описаниях не указывается вовсе. Важной особенностью является наличие встроенного в сепаратор конденсатоотводчика.
2. Коррозия. Когда воздух и неконденсируемые газы остаются в пространстве калорифера, появляется возможность для образования угольной кислоты, которая провоцирует интенсивную коррозию. Угольная кислота образуется, когда углекислый газ растворяется в конденсате. Чем ниже температура конденсата или чем выше давление, тем условия для образования угольной кислоты более благоприятные. Локализованный уровень pH3 уверенно разъедает сталь, из которой выполнен калорифер. Точечные поражения поверхности теплообмена со временем разрастаются и приводят к утечкам. Важным требованием является установка термостатических воздухоотводчиков на входе и выходе калориферов. Чаще всего коррозионные процессы наблюдаются в нижних частях калориферов из-за подтопления конденсатом. Таким образом, ни в коем случае нельзя допускать подтопление.
Отсутствие подтопления – задача обвязки калорифера. Тут может быть и простой конденсатоотводчик со свободноплавающим поплавком, и механический насос, и перекачивающий конденсатоотводчик, и рециркуляционный паровой эжектор. Снова арматура? Да.
3. Размораживание. Прежде всего, поймем причины размораживания. Пар, конденсируясь, выделяет тепловую энергию, которая передается воздуху через стенки и оребрение калорифера. Температура внутри калорифера при этом не изменяется, изменяется лишь фазовое состояние. Если в калорифере остался конденсат и он не был выведен конденсатоотводчиком, то его температура непременно начнет снижаться за счет продолжающегося теплообмена. Нагреваемый воздух непрерывно проходит через всю теплообменную поверхность калорифера и сверху, и снизу. Как только в калорифере образовался конденсат, он должен быть немедленно выведен из пространства теплообмена, прежде чем охладится до тех пор, когда может замерзнуть. К большому сожалению, многие монтажники и проектировщики не придают значения факторам, которые способствуют конденсату оставаться в калорифере.
Размораживание происходит, когда калорифер не успевает освобождаться от конденсата и набегающий поток воздуха быстро захолаживает конденсат вплоть до его превращения в лед. Надлежащий расчет калорифера, его монтаж и присутствующие средства его обвязки (конденсатоотводчики, насосы, эжекторы) являются критичными для предотвращения размораживания.
4. Неверный подбор калорифера. Не каждый калорифер хорошо подходит к каждой системе. Иногда калорифер не подходит для рабочих параметров, иногда не походит для условий применения. Например, медные калориферы обычно применяются для низких давлений пара и для применения в приточных системах коммерческих зданий. Промышленный же нагрев воздуха требует использования более прочных материалов.
Увеличение поверхности теплообмена далеко не всегда является хорошим решением. Это может привести к обводнению нижних частей калориферов и как следствие – коррозии, гидроударам и вероятности размораживания, если воздух при этом забирается с улицы.
5. Неправильная установка и обвязка. Если калорифер подобран правильно, однако неправильно установлен или обвязан, то часто обречен. Ниже список наиболее часто встречающихся проблем:
• Ориентация трубок в пространстве не способствует быстрому выведению конденсата. Наилучшая ориентация трубок в пространстве – вертикальная.
• Нет прерывателя вакуума. При регулируемой подаче пара при помощи регулирующего клапана давление внутри калорифера может опускаться вплоть до вакуума, и это обстоятельство гарантированно служит причиной периодического обводнения/гидроударов и размораживания. Из-за вакуума конденсат остается в калорифере и не может стечь вниз до тех пор, пока вакуум не исчезнет.
• Недостаточный подпор перед конденсатоотводчиком. Если регулирующий клапан регулирует удовлетворительно, то остается только один фактор, который влияет на быстрый вывод конденсата через конденсатоотводчик, – это высота подпора перед конденсатоотводчиком, то есть статическое давление, позволяющее конденсату выйти из калорифера и пройти через конденсатоотводчик и фильтр. Недостаточное расстояние по вертикали, от нижней части калорифера до конденсатоотводчика, может служить причиной снижения пропускной способности конденсатоотводчика и, соответственно, быть причиной обводнения нижней части калорифера.
• Неправильный выбор типа конденсатоотводчика или его пропускной способности. Расход конденсата и располагаемый перепад давления являются чрезвычайно важными критериями, определяющими способность конденсатоотводчика выводить конденсат из калорифера в полном объеме. Тип конденсатоотводчика также имеет большое значение, и невнимание к данному обстоятельству повышает риск неудовлетворительной работы. Некоторые проектировщики уверены, что конденсат всегда удаляется давлением пара, то есть давления пара достаточно, чтобы конденсат уверенно покинул калорифер. Это может быть верно в условиях максимальной нагрузки, тогда как в условиях низкой нагрузки давление пара за регулирующим клапаном снижается и калорифер запросто может обводняться конденсатом.
Только один из перечисленных факторов не зависит от примененной в обвязке трубопроводной арматуры. Насколько важно, чтобы система нагрева работала как часы? Очень важно. Стало быть, конечной целью является не поставка нагревателя, не поставка арматуры, не скидка от продавца и не цветная раскраска бренда, а жизнеспособность системы. Когда знаешь и помнишь конечную цель, то результат приходит быстрее, и он безусловно лучше.
Приведем несколько примеров обвязки паровоздушных калориферов для различных условий. Самый простой вариант обвязки (рис. 1), когда калорифер работает на постоянной нагрузке, а конденсат уходит самотеком вниз под уклон. Простого поплавкового конденсатоотводчика на выходе калорифера достаточно для удаления конденсата. На рис. 2 в системе присутствует автоматический клапан, регулирующий температуру воздуха на выходе калорифера. В схему добавляется прерыватель вакуума, а также автоматический воздухоотводчик. Задача прерывателя – выровнять давление с атмосферным в случае образования вакуума в калорифере. Задача воздухоотводчика – вывести этот воздух, а также неконденсируемые газы, образующиеся в процессе теплообмена. На рис. 3 конденсатная линия имеет небольшой подъем, и за конденсатоотводчиками следует установить обратные клапаны, чтобы конденсат не затекал обратно в калорифер после останова системы. При более значительных противодавлениях, сравнимых с давлением исходного пара, как на рис. 4, рекомендуется применять перекачивающие конденсатоотводчики. Эти устройства работают, как обычный поплавковый конденсатоотводчик, когда собственного давления конденсата достаточно для его выхода из калорифера, и как насос, когда недостаточно. Давления недостаточно при низких тепловых нагрузках, когда регулирующий клапан прикрыт настолько, что давление за ним сравнивается либо становится ниже противодавления. Движущей средой для перекачивающего конденсатоотводчика может быть как пар, так и сжатый воздух. На рис. 5 противодавление уже выше, чем исходное давление пара. В таком случае на выходе калорифера устанавливается обычный конденсатоотводчик, а после него механический конденсатный насос. Но так как давления пара недостаточно, чтобы вытеснить конденсат из насоса, вместо него в качестве движущей среды для насоса можно применить сжатый воздух более высокого давления, чем давление в конденсатной линии. Разумеется, есть еще множество вариантов и разновидностей схемных решений, выбор которых зависит от иных условий. Насыщенность запорно-регулирующей арматурой может быть выше, и схемные решения могут быть гораздо более сложными.
Что ожидают от трубопроводной арматуры? В зависимости от персональной специализации мнения могут быть различными. Молодой продавец расскажет о качестве. «Качество, проверенное временем», или «оптимальное соотношение цена/качество», или что-то подобное, где непременно присутствует это красивое слово. Если арматура иностранного производства, то продавец может сообщить национальную принадлежность такого качества, например немецкое или японское. Вы не услышите про португальское или китайское качество, даже если рассматриваемая техника на самом деле окажется вполне хорошей. Так или иначе, если смысл слова не вполне ясен самому продавцу, что говорить о покупателе. Еще продавец расскажет о бренде! О да, как круто звучит это слово. После озвучивания названия бренда следует театральная пауза, во время которой пользователь должен, вероятно, осознать, что перед ним божественная арматура, которая никогда не сломается. Он в это поверит? Чаще всего нет. Брендами все сыты.
Кроме поставщика, есть еще и потребитель. Если спросить у производственника на заводе, то есть у того, кто эксплуатирует арматуру, то добрая половина людей не сможет правильно повторить название бренда. Если, конечно, бренд не приносит проблем. Дело не в конкретном человеке, а в том, что название бренда, как правило, мало кого интересует, кроме продавца. Эксплуатация – это не маркетинг. Понятие «качество» у всех свое. Если вам требуется арматура на полсезона, а она проработала целый сезон, то для вас это замечательная арматура. Если прошлый конденсатный насос проработал десять лет, а новый всего пять, то это отвратительный насос. И так далее. Так что же важно для потребителя? Он скажет более понятным языком. Чтобы лет пять (четыре, десять…) можно было не подходить к арматуре. Чтобы ремонт и обслуживание были дешевле, чем обычно. Дешевле – означает быстрее и с минимальным использованием инструментов и запасных частей. И специалист назовет точные цифры. Есть ли разница между такими облачными материями, как качество, бренд, надежность, и вполне конкретными цифрами стоимости ремонта и сроками службы? Ничего не имею против рекламы брендов и расхваливания качества, но всегда это должно обосновываться. Причем фактами, цифрами, референсом, фотографиями и видео, если хотите, примерами из жизни, контактами тех, кто это эксплуатирует. Кто это может обеспечить? Очевидно, тот, кто этим давно и успешно занимается. С этим у многих имеются проблемы, и на первом месте идут скидка и наличие на складе. Представляете, многие на это покупаются!
Что важно для собственника предприятия, приобретающего технику? Его интересует, какую экономию приносит приобретаемая техника по сравнению с текущей ситуацией. Разумеется, в рассматриваемых промежутках времени. И все. Больше его ничего не интересует.
Но есть еще одно препятствие в получении хорошо работающей системы. Поставка! Вот где всем интересно поучаствовать. Кто скажет, что это не так? Найти специалистов, чтобы они подобрали оборудование в обвязке теплообменника, не так просто. Аргументировать выбор конкретного технического решения также порой нелегко. Специалистов не так уж много, и спорить с этим сложно. С поиском поставщиков проблем обычно не возникает. Но так ли все просто? На стадиях поставки часто происходит так, что даже стыдно осознавать, что такое возможно. Например, по проекту подобран состав оборудования. Он передается в отдел закупок предприятия. А дальше… появляются бизнесмены, готовые привезти любую технику из любой точки мира по самым низким ценам. Именно появляются, нарисовываются из ниоткуда. Их нет, пока нет спецификации. Они скучают в офисе, если нет запроса на уже подобранное кем-то оборудование. И как только спецификация от заказчика разошлась по рассылке электронной почты, появляются поставщики! Есть официальные поставщики. Как правило, это представители заводов-изготовителей. Есть и иные поставщики. Они предлагают привезти любую деталь из любой страны. Удивительно, но они часто называют себя не логистическими фирмами, не компаниями, оказывающими транспортные услуги, а именно поставщиками промышленного оборудования по самым низким ценам. Откуда берутся низкие цены? Опуская вопросы, интересующие правоохранительные органы (официальная таможенная очистка), можно в общем понять откуда. Если компания не тратит больших усилий на поиск заказа, на подбор оборудования, на техническую поддержку заказчика, на выполнение гарантийных обязательств, на подготовку технической документации, то, безусловно, ее затраты ниже, чем у тех, кто это обеспечивает. Вопрос: что необходимо заказчику? Готов ли он рискнуть всем ради нескольких процентов экономии при закупке? Не превратится ли эта экономия в остановку производства? Является ли эта экономия экономией? Официальные представители производителей оборудования могут запросто игнорироваться в пользу компаний-«везунов». Обращаем внимание, что «везуны» никак не участвуют в большинстве стадий проекта, кроме последней. Часто они не понимают сути применения техники. Не подбирают оборудование – то есть не отвечают за выбор. Конечно, можно сказать, что подбирать – это дело проектировщиков, но все же знают, что в половине случаев подбор оборудования для проектировщика производит инженер официального поставщика, а проектировщик его проверяет. Именно к официальным представителям обращаются за помощью при возникновении потребности в техподдержке, в документации, подборе запасных частей и пр. – и вообще к помощи при возникновении проблем. Серые поставщики не могут в полной мере нести гарантийных обязательств, так как производитель обычно делегирует такие вопросы официальным представителям. Не всегда неофициальные поставщики даже могут предоставить документацию на русском языке. И это в XXI веке. Стоит ли ожидать успеха проекта? Риски применения серых схем могут быть скрыты от собственников предприятий или быть игнорированы. К счастью, цивилизованные отношения все-таки преобладают и серовозов становится меньше. После поставки товара пользователь не хочет оставаться один на один с дорогостоящей техникой. В случае проблем серовоз сообщит ему, что не он подбирал арматуру, он только ее привез. И поверьте, у него приготовлены все аргументы на этот счет.
Безусловно, существует еще множество других важных и ответственных стадий реализации проектов. Если техника задействована в технологических процессах, сбой в работе которых приводит к серьезным потерям, то все стадии жизненного цикла построения систем важны и должны учитываться. Мелочей здесь нет.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 6 (62) 2020
