Verwendung von Drosselventilen für die Abschlämmung und andere Kraftwerksanwendungen

Um ein Dampfkraftwerk so effizient und kostengünstig wie möglich zu betreiben, ist es wichtig zu wissen, welches Ventil in welcher Anwendung verwendet werden soll. Ein kritischer Schritt bei der Dampfstromerzeugung ist beispielsweise das Abblasen, die Modulation oder „Drosselung“ der Durchflussrate des zu Dampf verdampfenden Wassers. Traditionell verwenden viele Planer und Betreiber von Kraftwerken Standard-Absperrventile, um diese Drosselung zu erreichen. Die Realität ist jedoch, dass Standard-Absperrventile nicht für die extremen Anforderungen der Drosselung ausgelegt und hergestellt sind.

1. Groovig, aber nicht gut. Im Laufe der Zeit entstehen durch die hohe Geschwindigkeit über den Sitz Rillen an Standard-Absperrventilen, die als „Drahtzug“ bezeichnet werden, ein Begriff, der sich ableitet, weil sie wie Drähte aussehen. Aufgrund des Drahtzugs dichten Kugelventile im geschlossenen Zustand nicht ab, was zu Undichtigkeiten führt. Mit freundlicher Genehmigung: Conval

Je kleiner der Spalt zwischen Sitz und Scheibe ist, desto schneller ist der Verschleiß. Im Laufe der Zeit entstehen durch die hohe Geschwindigkeit entlang des Sitzes Rillen, die „Drahtzug“ genannt werden, ein Begriff, der sich ableitet, weil sie wie Drähte aussehen (Abbildung 1). Aufgrund des Drahtzugs dichtet das Kugelventil im geschlossenen Zustand nicht ab, was zu Undichtigkeiten führt. Im Extremfall kann sich der Drahtzug tatsächlich wie eine gespaltene Zunge durch die Bandscheibe fressen und noch größere Schäden und Probleme bei der Flusskontrolle verursachen (Abbildung 2).

2. Problematisch. Im Extremfall kann sich der Drahtzug tatsächlich durch die Scheibe fressen, was zu noch größeren Schäden und Problemen bei der Durchflussregelung führt. Mit freundlicher Genehmigung: Conval

Um die Einschränkungen von Standard-Absperrventilen zu kompensieren, installieren einige Anlagenbetreiber zwei Absperrventile oder ein Kugelventil und ein Absperrventil in Reihe, von denen eines für eine positive Isolierung sorgt, während das andere als „Opfer“-Drosselventil fungiert ( Figur 3). Dieser Ansatz ist jedoch eine umständliche und teure Möglichkeit, eine Drosselung mit Standard-Durchgangsventilen zu erreichen. Es handelt sich um eine improvisierte Lösung, die mehr Material, mehr Schweißarbeiten, mehr Reparaturen, mehr Austausch und mehr Kosten als nötig erfordert.

3. Umständlich und teuer. Der Einbau von zwei Kugelventilen in Reihe, von denen eines für eine positive Isolierung sorgt, während das andere als „Opfer“-Drosselventil fungiert, ist ein teurer Versuch, eine Drosselung mit Standard-Kugelventilen zu erreichen. Mit freundlicher Genehmigung: Conval

Bei Standard-Absperrventilen kann die Größe des Ventils nicht geändert werden, wenn die realen Bedingungen falsch berechnet werden oder sich ändern. Im Gegensatz dazu ist ein Drosselventil speziell für die extremen Belastungen des Drosselprozesses konzipiert und gefertigt und sorgt so für eine wiederholbare Durchflussregelung und zuverlässige Absperrung (Abbildung 4). Das einzigartige Nadelscheibendesign stellt sicher, dass die Druckgrenze mit dem kleinstmöglichen Durchmesser abgedichtet wird, um maximale Dichtfähigkeit zu gewährleisten.

4. Innenleben. Links ist ein Hochleistungs-Drosselventil von Conval zu sehen. Rechts ist ein Schnittdiagramm des Ventils zu sehen, das seine inneren Komponenten zeigt. Mit freundlicher Genehmigung: Conval

Die Öffnung ist so dimensioniert, dass die Flüssigkeitsgeschwindigkeit über den Sitz unter schädlichen Werten bleibt. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit einer Abnutzung des Sitzes deutlich geringer; Wenn dies der Fall ist, kann es leicht ersetzt werden. Der Drahtzug wird effektiver eliminiert. Die Schaftbaugruppe ist zur ordnungsgemäßen Steuerung mit der Öffnung verbunden. Der Austrittsöffnungswinkel ist darauf ausgelegt, Erosion und Geräusche der nachgeschalteten Rohrleitungen zu minimieren. Wenn die realen Bedingungen falsch berechnet werden oder sich ändern, kann die Größe des Drosselventil-Venturirohrs und der Schaftbaugruppe geändert werden, um sie an die neuen Bedingungen anzupassen.

Typischerweise sind Drosselventile aus Kohlenstoffstahl SA 105, geschmiedetem legiertem Stahl SA 182-F22, SA 182-F91 und F92, SA 182-F316 und anderen Materialien in Druckklassen von ASME 900 bis 4500 erhältlich. Automatisierte Drosselventile können ebenfalls erhältlich sein luft-, motor- oder hydraulisch betätigt.

Jüngste Fortschritte in der Speisewasserchemie unterstreichen den Mehrwert der Lebensdauer durch eine austauschbare Option zur Größenänderung der Venturi-Düse. Wenn ein Abblasventil weniger als 30 % offen betrieben wird, kann im Allgemeinen die Größe der Öffnung geändert werden, um die Lebensdauer des Ventils zu verlängern.

Das Dual-Orifice-Konzept und die bei der Konstruktion verwendeten Materialien machen das Drosselventil selbst unter härtesten Bedingungen nahezu unzerstörbar. Die Dosiernase der Scheibe verbleibt in der austauschbaren Düsensitzpatrone und blockiert zerstörerische Strömungen mit hoher Geschwindigkeit, bis das Ventil so weit geöffnet ist, dass die Geschwindigkeiten die Sitzoberfläche nicht beschädigen. Daher werden Drosselventile zunehmend spezifiziert und in vielen Arten von Dampfkraftwerken installiert, von Kernkraftwerken über Kohle bis hin zu Erdgas, einschließlich kombinierter Abhitzedampferzeugeranlagen. Neben der Abschlämmung folgen noch einige weitere gängige Anwendungen.

Kontrolle der Gesamtmenge an gelösten Feststoffen (TDS) in der Dampftrommel. Laut Dampftippblatt Nr. 9 des Advanced Manufacturing Office des US-Energieministeriums bleiben beim Verdampfen von Wasser in der Dampftrommel des Kessels im Speisewasser vorhandene Feststoffe zurück. Die suspendierten Feststoffe bilden im Kessel Schlamm oder Sedimente, was die Wärmeübertragung beeinträchtigt. Gelöste Feststoffe fördern die Schaumbildung und die Übertragung von Kesselwasser in den Dampf. Um den Gehalt an suspendierten und insgesamt gelösten Feststoffen (TDS) auf akzeptable Grenzwerte zu reduzieren, wird regelmäßig Wasser aus dem Kessel abgelassen oder abgeblasen.

Schlamm- oder Bodenabblasen ist in der Regel ein manueller Vorgang, der einige Sekunden lang in Abständen von mehreren Stunden durchgeführt wird. Es dient dazu, Schwebstoffe zu entfernen, die sich aus dem Kesselwasser absetzen und einen schweren Schlamm bilden. Die Oberflächenabschlämmung oder Skimming-Abschlämmung dient dazu, die gelösten Feststoffe zu entfernen, die sich in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche konzentrieren. Das Oberflächenabblasen ist oft ein kontinuierlicher Prozess.

Die optimale Abschlämmrate wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, darunter Kesseltyp, Betriebsdruck, Wasseraufbereitung und Qualität des Ergänzungswassers. Die Abschlämmraten liegen typischerweise zwischen 4 % und 8 % des Kesselspeisewasserdurchflusses, können jedoch bis zu 10 % betragen, wenn das Ergänzungswasser einen hohen Feststoffgehalt aufweist. Eine unzureichende Abschlämmung kann zur Verschleppung von Kesselwasser in den Dampf oder zur Bildung von Ablagerungen führen. Übermäßiges Abblasen führt zur Verschwendung von Energie, Wasser und Chemikalien. Daher ist eine genaue Abschlämmkontrolle für einen effizienten Anlagenbetrieb wichtig.

5. Fließkurve. Hier ist die Durchflusskurve eines Drosselventils dargestellt, angepasst an verschiedene „Ventil-Offen“-Prozentsätze. Cv ist der Durchflusskoeffizient, ein wichtiger Konstruktionsaspekt bei der Dimensionierung und Auswahl von Ventilen für Systeme; Es liefert grundsätzlich ein Maß für die Kapazität eines Ventils basierend auf verschiedenen Systemparametern. Mit freundlicher Genehmigung: Conval

Wenn man die Durchflusskurve eines Drosselventils (Abbildung 5) untersucht, fällt bei etwa den ersten 10 % der Betätigung ein relativ flaches Band auf, egal ob automatisiert oder manuell. Dies ist der Bereich, in dem die Dosiernase in der Düse verbleibt und den Sitz vor Beschädigungen schützt. Nach dem Passieren der Totzone ermöglicht das Ventil eine lineare Steuerung von Durchfluss und Entspannung. Durch diese Konstruktion werden Schäden an den Dichtflächen des Ventils minimiert, sodass das Ventil auch nach vielen Zyklen sicher geschlossen bleiben kann.

Verschleiß- oder austauschbare Komponenten bestehen aus sehr harten Materialien, um die Lebensdauer dieser Teile zu verlängern. Die für die Scheiben-Nase-Baugruppe verwendete Stellite 6-Legierung hat eine Härte von 50–58 HRc. Die Härte des Materials sorgt für eine langlebige und unempfindliche Oberfläche gegen Beschädigungen. Die Sitz-Öffnungs-Venturi-Komponente besteht aus SS 440C. Im geglühten Zustand weist der 440C eine Härte von 60 HRc auf, was dem Bauteil eine sehr lange Lebensdauer ermöglicht. Das Venturi behält die Position der Vena Contracta innerhalb des Ventils bei, so dass die Rückgewinnung im Ventil erfolgt und gleichzeitig die Integrität der nachgeschalteten Rohrleitungen geschützt wird.

6. Crossover. Zwei Drosselventile dienen als Übergang zwischen zwei Dampftrommeln. Das System wird mit gesteuerten Aktuatoren betrieben und leitet Dampf aus der Betriebstrommel in die aufsteigende Trommel, um die Trommeloberflächen und den Inhalt vorzuwärmen. Dadurch kann das Kraftwerk die zweite Trommel viel schneller in Betrieb nehmen, was Zeit und Geld spart. Mit freundlicher Genehmigung: Conval

Schnelles Aufwärmen. In Abbildung 6 dienen zwei Drosselventile als Übergang zwischen zwei Dampftrommeln. Das System wird mit gesteuerten Aktuatoren betrieben und leitet Dampf aus der Betriebstrommel in die aufsteigende Trommel, um die Trommeloberflächen und den Inhalt vorzuwärmen. Dadurch kann das Kraftwerk die zweite Trommel viel schneller in Betrieb nehmen, was Zeit und Geld spart.

Speisewasserbypass. Drosselventile verlängern die Lebensdauer der Käfiggarnitur in Speisewasser-Reglerventilen. Normalerweise wäre die Käfiggarnitur während der anfänglichen 0–20-prozentigen Öffnung des Ventils Speisewasser mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt, wodurch teure Garniturkomponenten beschädigt würden. Im Gegensatz dazu ist das Drosselventil so eingerichtet, dass es diese schädlichen Strömungen umgeht, bis der Lastbedarf hoch genug ist, um auf das Regelventil umzuschalten, wenn dieses offen genug ist, um keinen schädlichen Geschwindigkeiten ausgesetzt zu sein.

Sitzabläufe. Betätigte Drosselventile, die als Sitzabläufe über/unter dem Hauptdampf eingesetzt werden, leisten zuverlässigen Dienst unter sehr rauen Bedingungen. In einem Fall zerstörten die Bedingungen von 3.650 psig bei 1.007 F innerhalb eines zweijährigen Ausfallplans frühere Ventile. Drosselventile halten jedoch seit mehr als 20 Jahren und werden bei jedem Ausfall gewartet, der nun im Dreijahreszyklus durchgeführt wird. Zur vorbeugenden Wartung gehört der Austausch der Scheiben-Nasen-Baugruppe und des Sitz-Öffnungs-Venturi-Rohrs. Die Lebensdauer der Drosselventile kann durch die Integration einer Whisperjet-Baugruppe am Auslass des Ventils verlängert werden. Diese Modifikation verlängert die Lebensdauer der Ventilgarnitur und trägt dazu bei, Schäden an den Rohrleitungen zu vermeiden.

Abwasser-Probenahmeventile. Eine weitere Anwendung für das Drosselventil sind Abwasserprobenstationen aus Hydrocrackern. Das Probenahmeventil besteht aus SS347 mit einem SS316-Joch. Andere nicht standardmäßige Materialien umfassen Ultimet für Sitz-Öffnungs-Venturi und Scheibennase. Der Vorbau und die Motorhaube bestehen aus Nitronic 50 und der Rücksitz besteht aus Nitronic 60.

Isolierung des Schauglases. In der Regel werden Winkelventile verwendet, diese werden jedoch häufig beschädigt, wenn Dampf oder Flüssigkeit in ein Rohr oder ein anderes Gerät gedrosselt wird, was zu Undichtigkeiten führt und die Füllstandsüberwachung erschwert. Drosselventile sind für diese Anwendung eine überlegene Alternative.

Bedenken Sie bei der Beurteilung, ob ein Drosselventil für Ihre Anwendung geeignet ist, dass es sich bei einem Drosselventil um eine Drosselvorrichtung handelt, die eine präzise Steuerung bei bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen ermöglicht. Ein Drosselventil ist kein Regelventil in dem Sinne, dass es den Hinterdruck nicht regelt. Für die meisten Abschlämm- und viele andere Anwendungen sind Drosselventile eine sinnvolle Option. ■

—Michael Glavin ist Vizepräsident für Technik; Glen Guernsey ist South Central Regional Manager; Michael Hendrick ist Vizepräsident für Global Sales und Marketing; Scott Hilke ist Western Regional Manager; und Jeremiah O'Callaghan ist leitender Ingenieur bei Conval, einem Hersteller von Ventilen für schwere Anwendungen mit Sitz in Enfield, Connecticut.

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