دیگ بخار و ضرورت استفاده از شیر اطمینان در عملکرد آن

شیر اطمینان دیگ بخار

دیگ بخار شامل تجهیزات جانبی متعددی است که یکی از اصلی ترین آنها شیر هواگیری یا شیر اطمینان می باشد.
با اختراع موتور بخار و گسترش استفاده از بویلر های بخار برای تامین بخار در طول سال های صنعتی سازی، ضرورت حفاظت از جان و مال انسان ها در برابر خطر انفجار افزایش پیدا کرد.
شیر اطمینان یا هواگیری معمولا در زمانی که فشار داخلی یا خارجی بالاتر از فشار قابل تحمل از پیش تعیین شده “محدوده فشار کارکرد امن “دیگ بخار یا مخزن و لوله کشی  و تجهیزات دیگر، باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

تخلیه هوای تحت فشار توسط شیر اطمینان باعث می شود فشار واردی به سیستم لوله کشی یا مخزن دیگ کاهش پیدا کند. به دلایل مختلفی ممکن است داخل سیستم لوله کشی هوا وجود داشته باشد.

شیر اطمینان باید در نزدیک‌ترین مکان به محل تجمع هوا قرار داده شود زیرا هوا بدلیل وزن کم دائم به سمت بالاترین نقطه سیستم در حال حرکت می باشد.

طراحی شیر اطمینان باید به گونه ای باشد که تحمل دما و فشار بالا را داشته باشند تا در دراز مدت مشکل ساز نشوند. این شیرها با داشتن طرح ساده و ساختمان محکم از عملکردی قابل اعتماد در دوره های طولانی کار برخوردارند.

با اتصال یک رابط و زانویی به شیر اطمینان از این شیر می توان به عنوان شیر آزمایش برای نمونه برداری آب دیگ جهت سختی سنجی بر روی دیگ های بخار استفاده می شود.

 

انواع شیر اطمینان

شیرهای اطمینان در دو نوع اتوماتیک و دستی تولید می‌شود. شیرهای اتوماتیک معمولا روی کلکتورهای دارای دبی سنج نصب می‌شوند تا با هواگیری اتوماتیک این شیر، اخلالی در کارکرد سیستم ایجاد نشود. هر چند استفاده شیر از اتوماتیک در دیگر سیستم ها نیز بلامانع است.
شیرهای دستی نیز شامل دو نوع می باشند. یک نوع که به صورت ولومی باز و بسته می شوند و نوع دیگر به کمک پیچ گوشتی. بر اساس نیاز و محل استفاده می توان از هر دو نوع استفاده کرد.
ولی با توجه به اینکه این شیرها در بازه های زمانی طولانی مدت و بسیار کم تکرار باز و بسته می شوند توصیه می شود از شیرهای ولومی استفاده گردد. این کار موجب راحتی کاربر در هنگام باز و بسته کردن شیر هواگیری می شود.

 

چند مدل شیر اطمینان

شیر اطمینان وزنه ای:

قدیمی ترین نوع شیر اطمینان است که کاربرد آن بر روی بویلر بخار کشتی بخار و لوکوموتیوهای بخار استفاده می‎شده است. این شیرها با نیروی وزنه های روی دریچه، فشار داخل مخزن را در حد ایمن ثابت نگه می‎دارند و مانع از قرار گرفتن اجزای دیگ بخار در شرایط فشار بیش از فشار طراحی می شود.

شیر اطمینان حرارتی:

این نوع از شیر اطمینان بر اساس حرارت و فشار عمل کرده و عموما در آبگرمکن ها استفاده می شود. در دمای 96-99 درجه سانتیگراد به حداکثر خود می رسد.

شیر اطمینان پایلوت دار:

این نوع شیرها شامل شیر اصلی و یک شیر فرمان کوچک بوده. پایلوت از نوع فنر فشرده می‌باشد که بوسیله فشار ورودی سیال باز و بسته می‌شود. شیر اصلی نیز مانند پیستون عمل می کند. در ادامه چند نمونه از شیر اطمینان موجود در بازار را مشاهده می فرمایید:

منبع : فنی و مهندسی کالانیز

 

نصب صحیح شيرهای اطمينان در دیگ بخار

 

طراحی شیرهای اطمینان

شير اطمينان غالبا از يک بدنه به حالت 90 درجه تشکيل شده که اتصال ورودی آن بر روی سيستم فشار بالا نصب می شود.

در برخی سيستم ها مثل هوای فشرده می توان خروجی شير اطمينان را مستقيما و بدون لوله کشی به اتمسفر تخليه نمود. در داخل شير اطمينان از يک فنر که قدرت آن به نقطه آزادسازی فشار متفاوت بوده و در کارخانه تنظيم می شود استفاده شده است.

اتصال ورودی شير (Approach Channel) می تواند از نوع Full-Nuzzle يا Semi -nuzzle باشد

نوع Full-Nuzzle معمولا در شيرهای اطمينان مورد استفاده در فرآيندها و تجهيزات فشار بالا و خصوصا جهت سيالات خورنده استفاده می شود.

نوع Semi-Nuzzle شامل رينگی است که در داخل بدنه قرار گرفته و قسمت فوقانی آن سيت قابل تعويض می باشد. ديسک توسط نيروی فنر در برابر سيت قرار می گيرد.

فنر در محيط باز يا بسته (Open or Closed Bonnet) در قسمت فوقانی شير قرار دارد. جنس فنر غالبا از نوع کربن استيل بوده و ميزان فشردگی آن تا محدوده ای (با توجه به خواص مکانيکی فنر مورد استفاده) قابل تنظيم است.

نکته: اصطلاح Pop action به باز شدن سريع شير اطمينان در زمان ازدياد فشار اطلاق می گردد.

 

نحوه عملکرد شيرهای اطمينان

• بلند شدن ديسک از روی سيت:

با افزايش فشار استاتيک داخلی تا اندازه بالاتر از فشار تنظيم شير، ديسک شروع به بلند شدن از روی سيت می کند.

همزمان با باز شدن شير، فنر تنظيم نيز به تدريج منقبض شده و بدنبال آن نيروی عکس العمل فنر افزايش می يابد و اين بدان معنی است که به منظور حرکت بيشتر ديسک و باز شدن کامل شير، فشار ورودی بايد افزايش يابد.

مقدار فشار اضافی لازم که موجب باز شدن شير اطمينان می شود تا ظرفيت مورد نظر را تخليه کند به Overpessure معروف است.

در استانداردها و منابع مختلف، مقادير متفاوتی جهت Overpessure ذکر شده است ولی به صورت عمومی اين مقدار در سيالات قابل تراکم (مانند بخار) معمولا بين 3% تا 10% و در مايعات 10% تا 25% می باشد.

شیر تخلیه یا PSV یکی از تجهیزات ایمنی در صنعت است. که مانع از قرار گرفتن لوله ها، شیرآلات، مخازن تحت فشار و… در شرایط فشاری بیش از فشار طراحی می شود. بنابراین انتخاب PSV بسیار مهم بوده و باید با احتیاط کامل صورت پذیرد.

 

بازگشت و بسته شدن مجدد

با برگشت شرایط و فشار طبیعی به سیستم، شیر اطمینان باید مجددا بسته شود. ولی از آنجا که در شیر با وضعیت کاملا باز، سطح بیشتری از دیسک (حداکثر سطح) با سیال در تماس است، تا وقتی که فشار کاری کمتر از فشار تنظیم نشده باشد، شیر بسته نخواهد شد.

تفاضل بین فشار بسته شدن و فشار مجدد به” Blow down” معروف است که معمولا به صورت درصدی از فشار تنظیم بیان می شود. این مقدار در سیالات قابل تراکم کمتر از 10% و در مایعات تا 20% می باشد.

شکل 5 رابطه بین فشار و موقعیت دیسک در شیر اطمینان را نشان می دهد.

جدول 1 نیز نشان دهنده تعدادی از استانداردهای مرتبط با شیرهای اطمینان است.

انتخاب شير اطمينان

با توجه به گستردگی و تنوع شیرهای اطمینان، معمولا در انتخاب نوع شیر مناسب جهت کاربردهای مختلف مشکل زیادی وجود ندارد.

بعد از انتخاب نوع مناسب، تعیین پارامترهایی نظیر فشار آزادسازی و ظرفیت تخلیه جهت تعیین قطر شیر مورد نیاز می باشد. انتخاب شیر اطمینان شامل چند فاکتور است:

• هزینه:

در کاربردهای معمول و غیر بحرانی، هزینه از مهمترین پارامترها به شمار می رود. خواص و ظرفیت تخلیه در شیرهای اطمینان با قطر یکسان ممکن است متفاوت بوده که باید مورد توجه قرار گیرد.

• نوع تخلیه:

شیرهای اطمینان با بدنه باز (Open Bonnet) می توانند در سیستم های بخار، هوا و گازهای غیر سمی که به اتمسفر تخلیه می شوند، مورد استفاده قرار گیرند.

در این کاربردها معمولا از دسته قابل حرکت جهت تست شیر استفاده می شود. در سیستم های گاز و مایعی که اجازه تخلیه سیال به اتمسفر وجود نداشته باشد، بدنه بسته (Closed Bonnet) بکار رفته و لازم است که درپوش محکم و بسته داشته باشند.

• نوع و ساختار داخلی شیر:

در کاربردهای غیرسمی و غیرخورنده با فشارهای متوسط از شیر اطمینان نوع Semi-Nuzzle استفاده شده و در سیستم های غیر خورنده فشار بالا، سمی و صنعتی از شیر اطمینان نوع Full-Nuzzle استفاده می گردد. در دماهای بالا و سیالات خورنده ممکن است نیاز به جنس بدنه خاص داشته باشد.

• خواص عملکردی:

نحوه عملکرد شیر به نوع کاربرد بستگی داشته و شیر اطمینان باید مطابق شرایط کاربرد انتخاب شود.

در دیگ های بخار، مقدار Overpressure لازم کوچک و در حدود 3% الی 5% فشار تنظیمی است. (مقدارOverpressure برابر با مقدار افزایش فشار بالاتر از فشار تنظیم شیر اطمینان است که شیر در حالت کاملا باز قرار گرفته و حداکثر جریان را تخلیه می کند.)

در اکثر کاربردهای دیگر این مقدار در حدود 10% تا 25% بوده و مقدار Blowdown نیز تا 20% می باشد. (مقدار Blowdown برابر مقدار فشار کمتر از فشار تنظیم شیر اطمینان است که شیر پس از آزاد سازی به حالت کاملا بسته بر می گردد.)

• تائیدیه:

در بسیاری کاربردها، مصرف کننده و نوع سایت، مشخص کننده نوع استاندارد و کد مربوطه جهت ساختمان و نحوه عملکرد شیر می باشد.

 

کاربرد شير اطمينان

يك شير اطمينان شيری است كه توسط يك فنر بسته شده است. با رسيدن فشار پشت شير به يك فشار استاتيكی مشخص عمل كرده و به سرعت باز می شود.

اين عملPOP شيرهای اطمينان معمولاً برای سيالات تراكم پذير كاربرد دارد. با مشخص بودن مساحت سطح مجرابند و اندازه نازل می توان مشخص نمود كه چه حجم سيال از شير خارج خواهد شد. در ابتدا بايد اندازه نازل خروجی (كه اُرفيس ناميده می شود) محاسبه گردد.

 

تنظیم و آب بندی

به منظور تعیین فشار آزادسازی، باید به پارامترهای زیر دقت نمود:

• فشار کار عادی Nwp²: فشار کار و عملکردی سیستم؛
• حداکثر فشار کاری مجاز MAWP: فشار طراحی یا حداکثر فشار کاری در حالت طبیعی؛
• حداکثر فشار انباشته شده MAAP ³: این پارامتر نشان دهنده حداکثر فشار قابل دستیابی با توجه به نوع و استانداردهای طراحی سیستم است و معمولا بصورت درصدی بالاتر از MAWP بیان می شود. در سیستم های بخار، MAAP معمولا 10% بیشتر از MAWP می باشد.
• نقطه و فشار تنظیم P⁴_s: فشاری که در آن شیر اطمینان شروع به باز شدن می کند.
• فشار آزادسازی کامل P_R^5: فشاری که شیر به حالت کاملا باز و حداکثر ظرفیت تخلیه می رسد و برابر مجموع فشار تنظیم (P_s) وOverpressure (P_o) می باشد.
• Overpressure(p_O): بصورت درصدی از فشار آزاد سازی بیان می شود.

 

شيرهای اطمينان بوسيله آزاد كردن مقداری از سيال به واحد (يا به درون خطوط) عمليات ايمن سازی را انجام می دهند. شيرهای فشار در جاهائيكه حداكثر فشار كاری بوجود می آيند نصب می گردند. در سيستم های توليد بخار، شيرهای اطمينان برای جلوگيری از افزايش فشار بر روی بويلرها نصب می گردند.

 

دو اصل اساسی جهت محاسبه فشار آزاد سازی عبارتند از:

1-فشار آزاد سازی باید به اندازه کافی پایین باشد تا از عدم ایجاد شرایط MAAP اطمینان حاصل گردد.

2-فشار تنظیم باید به اندازه کافی بالا باشد تا فاصله کافی با فشار کاری عادی NWP حفظ شود تا شیر اطمینان بتواند کاملا بسته گردد.

با این وجود، فشار تنظیم هرگز نباید بیشتر از MAWP باشد. به منظور ایجاد شرط اول لازم است تا مقادیر Overpressure و maap بصورت درصدی از MAWP بیان شوند که دو حالت وجود خواهند داشت:

 

* درصد Overpressure شیر اطمینان کمتر یا برابر درصد MAAP سیستم است.

در این حالت فشار تنظیم می تواند برابر MAWP تنظیم شود زیرا فشار آزاد سازی هموار ه کمتر از مقدار واقعی MAAP است.

بطور مثال در صورتی که مقدار Overpressure در شیر اطمینان برابر 5% و مقدار MAAP باشد،فشار آزادسازی برابر MAWP انتخاب می شود. در این حالت فشار آزاد سازی کامل که برابر فشار تنظیم بعلاوه درصد Overpressure است، کمتر از MAAP شده و قابل قبول است.

توجه کنید در صورتی که درصد MAAP بیشتر از درصد Overpressure باشد، نقطه تنظیم باید برابر MAWP باشد زیرا افزایش آن بیشتر از MAWP موجب نقض قانون دوم می شود.

* درصد Overpressure شیر اطمینان بیشتر از درصد MAAP باشد.

در این حالت، انتخاب نقطه تنظیم برابر MAWP به معنی این است که فشار تخلیه کامل بیشتر ازMAAP شده که غیر مجاز است و بنابراین باید کمتر از MAWP باشد.

به عنوان مثال، اگر در شیر اطمینان مقدار Overpressure برابر 25% و مقدار MAAP برابر 10% باشد،انتخاب نقطه تنظیم برابر MAWP بمعنی این است که فشار تخلیه کامل 15% بیشتر ازMAAP است.

در این مثال، فشار صحیح تنظیم باید 15% کمتر ازMAWP باشد. جدول 2 نشان دهنده خلاصه محاسبه نقطه تنظیم بر اساس قانون اول است.

 

 

به جز در مواردی که شرایط عملکردی اقتضا می کند، به منظور رعایت قانون دوم، فشار تنظیم باید مقداری بیشتر از فشار کاری با رعایت حد لازم جهت بلودان باشد. فشار تنظیم با فاصله ناچیز بالای فشار کاری عادی موجب انسداد و بسته شدن کامل شیر اطمینان پس از تخلیه می شود.

در صورتی که فاصله فشار کاری و فشار تنظیم بسیار کم باشدحداقل مقدار فشار بین فشار بسته شدن کامل (Reseant Pressure) و فشار کاری سیستم برابر bar1% در نظر گرفته می شود تا از بسته شدن کامل شیر اطمینان حاصل گردد که به محدوده Shut-off معروف است.

مهم است که هر گونه تغییر درفشار سیستم مورد توجه قرار گیرد. بطور مثال، در عملکرد شیرهای اطمینان نصب شده پس از شیرهای فشار شکن (PRV)⁶ ممکن است اخلال به وجود آید (بعلت باند نسبی⁷ بزرگ برخی از فشار شکن ها).

در صورتی که مصرف بخار نسبت به مقدار گذر طبیعی کاهش یابد، شیرهای فشارشکن با درصدی افزایش در فشار خروجی بسته می شوند که معرف باند نسبی عملکرد است و بر عکس در صورتی که شیر تقلیل فشار در حالت بدون با (مصرف بدون بخار) تنظیم شود، در شرایط بار کامل فشار خروجی کمتری خواهد داشت.

 

مثال

بعنوان مثال، شیر PRV با حداکثر باند نسبی bar2% را در نظر بگیرید. در صورتی که شیر در حالت بار کامل بر روی فشار barg5 تنظیم شود، فشارخروجی شیر در حالت بدون بار برابر bar2/5 خواهد بود (و یا bar8/4 در حالت برعکس).

در زمان محاسبه فشار تنظیم شیراطمینان، اگر فشار کنترل PRV در حالت بدون بار تنظیم شود، مقدار باند نسبی در نظر گرفته نمی شود، ولی در صورتی که فشار کنترل PRV در حالت بار کامل تنظیم شود، لازم است که افزایش فشار در حالت بدون بار را در محاسبات اعمال نمود.

مقدار افست نسبی به نوع شیرکنترل و کنترلر مورد استفاده بستگی دارد.

 

جهت سفارش انواع محصولات شیرآلات دیگ بخار با کارشناسان صنایع دما بخار مشهد تماس حاصل فرمایید.

05138472536 – 09388037440