Змеевик подъема давления и экономайзер: как регулируется давление в резервуаре

Змеевик подъема давления представляет собой атмосферный теплообменник, который забирает жидкость снизу криогенного резервуара, испаряет ее и возвращает газ в паровое пространство, поднимая давление. Экономайзер работает в обратную сторону: при высоком давлении он отбирает пар сверху, и испарившийся продукт уходит потребителю, а не на сброс.

Вместе эти два контура удерживают криогенный резервуар на стабильном рабочем давлении без потерь жидкости и без срабатывания предохранительного клапана. Благодаря им резервуар неделями выдает газ с ровным давлением, хотя теплоприток непрерывно работает против него.

В статье разобрано, как работает каждый контур, как уставки соотносятся между собой и с предохранительным клапаном, и что видит оператор при отказе любого из них. Большинство жалоб на давление на потребительской станции сводится к одному из этих двух устройств.

Зачем криогенному резервуару контур подъема давления?

Криогенная жидкость находится в резервуаре вблизи точки кипения при давлении в резервуаре. Чтобы вывести продукт из сосуда, его нужно чем-то вытолкнуть. На криогенном резервуаре потребительской станции насоса обычно нет, поэтому выталкивает давление пара над жидкостью.

Это давление должно быть выше, чем требует потребитель ниже по потоку:

• В газовом режиме давление в резервуаре гонит жидкость через газификатор и газ к точке потребления с требуемым давлением подачи
• В жидкостном режиме давление в резервуаре выталкивает жидкость в линию перекачки, наливной рукав или сосуд потребителя
• В обоих случаях по мере отбора давление падает, так как объем парового пространства растет, а масса пара уменьшается

Один только теплоприток дает некоторый рост давления, но не с той скоростью, которая перекрывает активный отбор. В периоды спроса предоставленный самому себе резервуар терял бы давление до полной остановки выдачи. Контур подъема давления существует для того, чтобы автоматически восполнять давление по потребности.

Обратная задача возникает, когда резервуар простаивает. Теплоприток продолжается, испарение продолжается, а отбора нет, и давление растет. Если этим не управлять, в итоге срабатывает предохранительный клапан и продукт уходит в атмосферу. Именно эту задачу решает экономайзер.

Как работает змеевик подъема давления?

Контур подъема давления, часто обозначаемый PB, представляет собой замкнутый контур от низа внутреннего сосуда обратно в верх того же сосуда.

Последовательность такая:

• Жидкость выходит из низа внутреннего сосуда по линии подъема давления через ручной отсечной вентиль
• Регулятор подъема давления отслеживает давление парового пространства и открывается, когда оно опускается ниже уставки
• Жидкость поступает в змеевик подъема давления, оребренный трубный теплообменник атмосферного типа, установленный сбоку или у основания резервуара
• Окружающий воздух нагревает трубу, жидкость кипит и газ расширяется
• Газ возвращается в паровое пространство в верхней части внутреннего сосуда и поднимает давление
• При достижении уставки регулятор закрывается и контур останавливается

Термосифонный эффект делает контур самоподдерживающимся. Жидкость в змеевике теплее и легче жидкости в резервуаре, поэтому она поднимается и подтягивает за собой следующую порцию. Насос и электропитание не требуются, поэтому такая схема является стандартной на необслуживаемых потребительских станциях.

Практическое следствие для эксплуатации в том, что подъем давления расходует продукт. Каждая единица газа, вернувшаяся в паровое пространство, взята из запаса жидкости. Непрерывно работающий контур подъема давления незаметно увеличивает цифры потребления у клиента.

Регулятор подъема давления

Регулятор представляет собой самодействующий клапан регулирования давления. Его уставка задает рабочее давление резервуара и должна быть не ниже давления, требуемого в точке потребления, с учетом потерь в газификаторе и трубопроводе. Она всегда ниже уставки предохранительного клапана, которая, в свою очередь, не превышает максимально допустимое рабочее давление сосуда. Изменение этой уставки является сервисной работой, а не операторской регулировкой, и ее нельзя поднимать в сторону уставки предохранительного клапана, чтобы решить проблему пропускной способности ниже по потоку.

Что делает экономайзер на криогенном резервуаре?

Экономайзер, который также называют регулятором экономайзера или клапаном газового отбора, представляет собой регулятор давления, соединяющий паровое пространство с линией отбора. Его уставка находится выше уставки регулятора подъема давления и ниже уставки предохранительного клапана.

Логика простая. Когда давление в резервуаре поднимается выше уставки экономайзера, экономайзер открывается и продукт отбирается из парового пространства, а не из жидкой фазы. Отбор пара снижает давление в резервуаре, а пар, который иначе был бы сброшен, уходит потребителю как продукт. Когда давление опускается ниже уставки, экономайзер закрывается и резервуар возвращается к обычному отбору жидкости.

Таким образом экономайзер выполняет две задачи сразу:

• Ограничивает верхний предел давления в резервуаре без сброса, оставляя предохранительный клапан средством защиты, а не элементом штатного регулирования
• Превращает пар от испарения в отпускаемый продукт, так что теплоприток, который был бы потерей, становится частью продажи

Это важнее, чем кажется на первый взгляд. Современные стационарные криогенные резервуары имеют статическую испаряемость примерно от 0,2 до 0,6 процента в сутки в зависимости от объема и изоляции. На регулярно используемом резервуаре исправный экономайзер возвращает это испарение в газовый поток вместо выпуска в атмосферу. На резервуаре, который подолгу простаивает, отбора нет и поглотить пар нечем, поэтому давление все равно растет, и определяющим показателем становится время бездренажного хранения.

Как уставки давления соотносятся между собой?

Порядок уставок фиксирован, и понимание этого порядка объясняет большинство эксплуатационных проблем. От низшей к высшей:

• Регулятор подъема давления: самая низкая из трех уставок, задает нормальное рабочее давление резервуара
• Регулятор экономайзера: выше регулятора подъема давления, чтобы эти два устройства не работали друг против друга
• Предохранительный клапан: настроен на уровне максимально допустимого рабочего давления сосуда или ниже него и выше уставки экономайзера
• Разрывная мембрана: выше уставки предохранительного клапана, в пределах, допускаемых применимым кодом

Промежуток между уставкой подъема давления и уставкой экономайзера является рабочим диапазоном, в котором живет резервуар. Если этот промежуток слишком узкий, два регулятора начинают циклически бороться друг с другом. Если экономайзер настроен на уровне уставки подъема давления или ниже нее, получается самопожирающий цикл: контур подъема давления испаряет жидкость ради роста давления, экономайзер тут же стравливает это давление в газовую линию, и контур подъема давления запускается снова. Резервуар как будто работает, но тратит на это лишнюю жидкость.

Конкретные значения зависят от класса давления сосуда и требуемого давления подачи у потребителя. Они записаны в документации на сосуд, и любое изменение является документируемым сервисным действием. Наша статья про MAWP и класс давления криогенного резервуара объясняет, как расчетные параметры сосуда задают потолок для всех этих уставок.

Какие признаки указывают на отказ контура подъема давления?

Неисправности подъема давления проявляются как низкое давление, низкий расход или полное отсутствие выдачи.

Давление не набирается или падает при отборе

• Закрыт ручной отсечной вентиль подъема давления. Это самая частая причина и первое, что нужно проверить, особенно после поставки или сервисного визита
• Уставка регулятора подъема давления слишком низкая для текущего спроса, либо регулятор отказал в закрытом положении
• Змеевик подъема давления полностью обледенел, поэтому он не может забирать тепло из воздуха и жидкость не испаряется
• Уровень жидкости очень низкий, поэтому напора жидкости для питания линии подъема давления почти нет
• Спрос превышает то, на что контур был рассчитан, и это вопрос подбора, а не неисправности

Змеевик сильно покрыт инеем или обледеневает

Небольшой иней на змеевике подъема давления в работе нормален. Сплошной лед не нормален. Атмосферным теплообменникам нужно время на оттайку, чтобы сбросить лед, который образуется при отборе тепла из влажного воздуха. Змеевик, который не получает передышки из-за непрерывного спроса или из-за пропускающего регулятора, будет обледеневать до полной потери производительности. Холодная влажная погода усугубляет это, поэтому жалобы на давление концентрируются зимой.

Давление непрерывно растет и срабатывает предохранительный клапан

Это обратная неисправность: регулятор подъема давления заклинил в открытом положении. Контур продолжает испарять жидкость и возвращать газ в паровое пространство, и ничто его не останавливает, поэтому давление проходит уставку экономайзера и в итоге доходит до предохранительного клапана. Признак такой неисправности это змеевик подъема давления, который остается покрытым инеем даже при рабочем давлении в резервуаре или выше него.

Учтите, что постоянно срабатывающий предохранительный клапан не всегда указывает на подъем давления. Деградация вакуума дает тот же признак за счет роста теплопритока, и эти две причины нужно разделить до заказа запчастей. Наши статьи про рост давления в криогенном резервуаре и про потерю вакуума разбирают эту диагностику.

Какие признаки указывают на отказ экономайзера?

Неисправности экономайзера тише, поскольку резервуар продолжает выдавать продукт. Они проявляются как потери продукта и как нестабильное давление.

Экономайзер заклинил закрытым или настроен слишком высоко

• Резервуар сбрасывает через предохранительный клапан или дренажный вентиль, хотя продукта в нем еще много
• Давление в резервуаре регулярно держится у верхней границы диапазона даже при отборе газа
• Цифры потребления выглядят выше фактического расхода клиента, поскольку сброшенный продукт остается поставленным и оплаченным
• Оператор привыкает стравливать резервуар вручную, что превращает недопустимые потери в норму

Экономайзер заклинил открытым или настроен слишком низко

• Давление в резервуаре не держится, так как пар непрерывно стравливается в линию отбора
• Контур подъема давления работает почти постоянно для компенсации, поэтому змеевик остается обмерзшим, а расход жидкости растет
• Газ в точке потребления может быть холоднее или иметь переменную температуру, поскольку он приходит из парового пространства, а не проходит полный путь через газификатор
• В режиме отбора жидкости перекачка замедляется или прекращается по мере падения давления в резервуаре

Разделить два контура помогает состояние змеевика подъема давления. Обмерзший змеевик вместе с давлением, которое не держится, указывает на экономайзер или на завышенный отбор. Чистый змеевик без инея вместе с давлением, которое не набирается, указывает на сам контур подъема давления.

Что оператору проверить до вызова сервиса?

Короткая структурированная проверка экономит выезд и дает сервисному инженеру полезные исходные данные. Ничто из перечисленного не требует вскрытия деталей, находящихся под давлением.

• Снять и записать показания манометра резервуара и уровня жидкости, отметив время и температуру наружного воздуха
• Убедиться, что ручной вентиль подъема давления находится в штатном рабочем положении
• Осмотреть змеевик подъема давления: чистый, слегка обмерзший или полностью обледеневший
• Осмотреть газификатор, питающий точку потребления, на те же признаки, поскольку обледеневший технологический газификатор дает низкое давление подачи, которое часто списывают на резервуар
• Проверить, не изменился ли спрос, например новая производственная линия или другой график смен на площадке
• Сопоставить текущее давление с задокументированными уставками подъема давления и экономайзера в деле сосуда
• Проверить, нет ли слышимого сброса или ледяного султана у выхода сброса
• Отметить, совпадает ли проблема с холодной или влажной погодой, что указывает на производительность теплообменника, а не на регулятор

Два правила действуют без исключений. Ни при каких обстоятельствах не регулируйте и не трогайте предохранительный клапан и разрывную мембрану и не отсекайте предохранительное устройство, чтобы прекратить сброс. Уставки регуляторов меняет только компетентный персонал и только по задокументированным значениям для данного сосуда. Если змеевик полностью обледенел, дайте ему оттаять естественным путем, не подавая тепло и не сбивая лед, поскольку термический удар и механическое повреждение криогенного теплообменника обходятся дорого. Подробнее об этом в материале про предохранительные клапаны и устройства безопасности.

Если окажется, что контур подъема давления или газификатор не неисправен, а просто недостаточен по производительности, решением является изменение производительности, а не уставки. Наше руководство по подбору атмосферного газификатора показывает, как считать реальную потребность площадки, включая запас на цикл оттайки.

Как это влияет на выбор резервуара и планирование поставок?

Оборудование регулирования давления является частью спецификации, а не аксессуаром. Когда вы задаете резервуар для потребительской станции, контур подъема давления и экономайзер должны соответствовать режиму работы.

• Пиковый расход газа и требуемое давление подачи задают производительность подъема давления и уставку регулятора
• Класс давления сосуда должен быть достаточным, чтобы рабочее давление лежало с запасом ниже уставки предохранительного клапана
• Площадкам с непрерывным режимом нужен такой запас теплообменной поверхности, чтобы змеевик успевал оттаивать, либо дублированная схема
• Площадки с редким и малым потреблением больше зависят от экономайзера, поскольку за долгие простои испарение накапливается между отборами
• Установки MicroBulk у мелких потребителей особенно чувствительны, так как резервуар с малым оборотом большую часть времени простаивает

Именно поэтому один и тот же номинальный объем резервуара ведет себя совершенно по-разному на двух площадках. Подбор нужно начинать с профиля потребления, а не с каталога резервуаров. Метод описан в нашей статье про подбор резервуара для потребительской станции.

KAF Cryogenics поставляет криогенные резервуары для хранения, сосуды MicroBulk и атмосферные газификаторы как новые единицы по спецификации и как сертифицированное б/у оборудование, прошедшее освидетельствование, неразрушающий контроль NDT, вакуумные и пневмогидравлические испытания, с комплектом документов и письменной гарантией. Сертифицированные б/у аппараты отгружаются со склада за недели, тогда как новое изготовление занимает месяцы.

Часто задаваемые вопросы

Читайте также

• MAWP и класс давления криогенного резервуара
• рост давления в криогенном резервуаре
• потерю вакуума
• подбор резервуара для потребительской станции
• криогенные резервуары для хранения