VAG HYsec – rodzina szybkodziałających napędów

ARMATURA
SAMI O SOBIE
SAMI O SOBIE
SAMI O SOBIE
(np. zawory szybkozamykające turbin
parowych) aż do kilku, kilkunastu
sekund przy dużych urządzeniach.
Minimalny czas często limitowany jest
problemami przeciążeń bezwładnościowych mechanizmów napędu.
VAG HYsec – rodzina
szybkodziałających napędów
bezpieczeństwa dla dużej
armatury
Tadeusz Grabiński, Warszawa *)
W wielu dziedzinach przemysłowych
– hutnictwie, chemii, energetyce – istnieje
potrzeba stosowania specyficznej armatury zabezpieczającej układy technologiczne w przypadku awarii zasilania
energetycznego obiektu.
Krańcowym przykładem takiej armatury są zawory bezpieczeństwa zabezpieczające przed przekroczeniem bezpiecznego ciśnienia i chroniące w ten
sposób urządzenia przed zniszczeniem.
Jest także wiele przypadków w układach technologicznych, kiedy w przypadku ogólnej awarii, np. wypadnięcia
pomp, dla uniknięcia powstania szkód,
określona armatura musi się albo zamknąć, albo otworzyć bez możliwości
korzystania z normalnego zasilania
energetycznego. Przykładem są samoczynnie działające zawory zwrotne zabezpieczające przed ruchem powrotnym czynnika w przypadku nagłego wyłączenia pompy czy sprężarki. Także
wiele innych sytuacji technologicznych
wymaga pewnego, szybkiego zamknięcia lub otwarcia przelotu w armaturze,
niezależnie od stanu zasilania energetycznego instalacji. Jest to wtedy armatura bezpieczeństwa sterowana, impuls
na rozpoczęcie działania może pochodzić z różnych źródeł, niekoniecznie
związanych bezpośrednio z armaturą.
Ruch roboczy armatury (ruch bezpieczeństwa) wywoływany jest wtedy napędem zewnętrznym.
I. Sposoby realizacji ruchu
bezpieczeństwa
Problemem jest gromadzenie – pozyskiwanie – energii pozwalającej na
wykonanie ruchu bezpieczeństwa. Realizowane może to być w różny sposób, np.:
1 – rezerwowa, awaryjna sieć elektryczna. Często sieć ta ma inne parametry, np. prąd zmienny – prąd stały.
Znane są wykonania napędów armatury
wieloobrotowej z dwoma silnikami: na
prąd stały i na prąd zmienny. Stare takie
wykonanie, prawdopodobnie firmy SIPOS
(?), stosowane w elektrowniach jądrowych, pokazujemy obok na ilustr. 1. Stoso-
10
wane bywa też do napędu dużych zasuw
wrzecionowych w budownictwie wodnym.
2 – zasobnik sprężonego powietrza.
Duży zbiornik sprężonego powietrza
– zasilający całą instalację – może mieć
zapas wystarczający nawet na większą
ilość ruchów roboczych. Rozwiązanie
proste, ale zagrożone możliwością uszkodzenia rozleglej sieci rurociągów
sprężonego powietrza. Tutaj rozwiązaniem jest stosowanie dodatkowych niewielkich lokalnych zbiorników sprężonego powietrza dla poszczególnych napędów – ilustracja 2.
3 – zasobnik cieczy hydraulicznej
pod wysokim ciśnieniem. Możliwość
korzystania związana jest jednak z
utrzymywaniem poduszki gazowej w takich zasobnikach. Wysokie ciśnienie
stosowane w tych układach czasami powoduje trudności eksploatacyjne.
4 – zasobnik energii sprężystości.
Energia zawarta w ściśniętych sprężynach pozwala na wykonanie na ogół 1
ruchu bezpieczeństwa. Jest to proste
rozwiązanie stosowane w niewielkich
napędach pneumatycznych. W razie
całkowitego zaniku ciśnienia powietrza
sterującego sprężyny napędu ustawiają
armaturę albo w pozycji otwartej, albo
w pozycji zamkniętej.
Napędy wg p. 2 i 4 mają w praktyce
ograniczone wielkości obsługiwanej armatury, do DN 300, wyjątkowo do DN
500, zależnie od parametrów.
5 – zasobnik energii potencjalnej, zazwyczaj w formie podniesionego ciężaru. Ruch opadowy ciężaru pozwala na
wykonanie 1 ruchu bezpieczeństwa.
Rozwiązanie najprostsze. W większości
rozwiązań ciężar osadzony jest na
dźwigni.
Ilustracja 1. Napęd dwusilnikowy
Ilustracja 2. Zbiornik awaryjny
Ilustracja 3. Napęd pneumatyczny z zasobnikiem sprężynowym
II. Przegląd realizacji
Realizacja ruchu bezpieczeństwa uzależniona jest zasadniczo od 2 czynników:
■ czasu zadziałania (np. zamknięcia)
koniecznego do bezpiecznego zatrzymania ruchu urządzenia. Czas ten
może wynosić od ułamka sekundy
Ilustracja 4. Napęd ciężarowy z podnoszeniem hydraulicznym
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2012
SAMI O SOBIE
SAMI O SOBIE
SAMI O SOBIE
Ilustracja 5. Schemat napędu hydraulicznego VAG HB-HV (wykonanie standard)
■ wielkości i parametrów armatury.
Jest oczywiste, że dla małej armatury,
np. DN 100 realizacja napędu wykonywana jest inaczej aniżeli dla dużej,
np. DN 1000.
Oczywistym jest też rodzaj armatury.
Armatura tzw. ćwierćobrotowa – kurki,
przepustnice czy inne – mogą „być zamykane” szybciej aniżeli wieloobrotowa
np. zasuwy.
Typowym, powszechnie stosowanym
rozwiązaniem armatury z funkcją bezpieczeństwa są przepustnice z pneumatycznymi napędami wahliwymi. Te napędy pneumatyczne pozwalają na wykonywanie ruchu bezpieczeństwa albo
przy wykorzystaniu zapasu energii
sprężonego powietrza ze zbiornika
zewnętrznego, albo poprzez zasobnik
sprężynowy wbudowany w korpus napędu. Wtedy „wypuszczenie” powietrza
z instalacji powoduje ustawienie armatury w określonej pozycji, określane w
opisach, jako „normalnie otwarte” albo
„normalnie zamknięte”.
W praktyce rozwiązania te stosowane są do DN 300, wyjątkowo do DN
500. Powyżej tej wielkości stają się zbyt
duże i kłopotliwe w obsłudze.
Napędy hydrauliczne HYsec firmy VAG
Dla dużych średnic firma VAG proponuje napędy hydrauliczne o ruchu
roboczym ćwierćobrotowym, zarówno z
zasobnikiem ciężarowym, jak i innym
(hydraulicznym, sprężynowym). Jest to
rodzina napędów nazywana HYsec z
Ilustracja 6. Warianty różnych powiązań napędów hydraulicznych z różną armaturą
przeznaczeniem do obsługi armatury o
ruchu roboczym 90° (ćwierćobrotowe)
takiej jak przepustnice, kurki czy inne,
np. zawory z tłokiem pierścieniowym
VAG RIKO. Największe wykonane dotychczas takie napędy zabudowane są
na przepustnicach VAG EKN DN 2400
PN 16, rozważane jest przyjęcie zamówienia na wykonanie napędu ciężarowego dla zespołu przepustnic VAG
EKN DN 3600 PN 10.
Idea napędów HYsec wywodzi się z
budowanych prawie od 100 lat przez firmę VAG (dawniej Bopp & Reuther)
urządzeń do zabezpieczania dużych magistral wodnych przed skutkami pęknięć
rurociągów i zalewania terenów poniżej
pęknięcia rurociągu. Urządzenie odcinało przepływ w rurociągu w przypadkach przekroczenia nastawionej, określonej prędkości przepływu wody. Przekroczenie
nastawionej
prędkości
przepływu powodowało wyzwolenie ciężaru, który opadając, zamykał poprzez
przekładnię prymitywną przepustnicę.
Było to obsługiwane całkowicie ręcznie.
Urządzenie to stopniowo modernizowano wprowadzając w miejsce cięgien i ryglowań mechanicznych układy
hydrauliczne tak, że końcowa wersja
już w wykonaniu czysto hydraulicznym
była znana pod określeniem napędu
HB-HV. Określenie to wywodzi się z
niemieckiego określenia sposobu działania: „Hydraulische Bremse – Hydraulisch Verrigelt”. Obrazuje to sposób
działania urządzenia:
Ilustracja 9. Od lewej: napęd VAG HYsec F, napęd VAG HYsec E, napęd VAG HYsec PRO
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2012
ARMATURA
Ilustracja 7. VAG EKN z napędem HYsec F
Ilustracja 8. VAG RIKO z napędem HYsec
PRO
Ciężar opadowy na ramieniu jest
podnoszony ciśnieniem oleju w cylindrze hydraulicznym. Ciśnienie to może
być wytwarzane albo przez pompę z napędem elektrycznym, albo pompę z napędem ręcznym. W stanie podniesionym ciężar jest zaryglowany olejem
znajdującym się w cylindrze. Uruchomienie następuje poprzez otwarcie zaworu upustowego, drenującego wypływ
oleju spod tłoka cylindra. Szybkość
opadania ciężaru regulowana jest wydatkiem tego upuszczanego oleju. Ten
zawór upustowy jest zazwyczaj zaworkiem elektromagnetycznym reagującym na impuls elektryczny. Schemat tego klasycznego już rozwiązania układu
hydraulicznego pokazujemy na ilustr. 5.
11
ARMATURA
SAMI O SOBIE
SAMI O SOBIE
SAMI O SOBIE
Ilustracja 10. Armatura VAG na wylotach pomp wody pitnej
Ilustracja 11. Przepustnica VAG EKN
DN 2000 PN 25 ze zdwojonymi ciężarami
Ilustracja 12. Przepustnica VAG EKN z
dodatkowymi urządzeniami blokującymi
To klasyczne rozwiązanie z ciężarem
opadowym na ramieniu było w miarę
upływu czasu poszerzane o inne rozwiązania:
■ zasobnik sprężynowy w miejsce ciężaru. Jest to rozwiązanie odporne na
trzęsienia ziemi, stosowane np. w
elektrowniach jądrowych
■ zasobnik hydrauliczny (akumulator)
również dla ruchu roboczego. Rozwiązanie stosowane w przypadkach
braku miejsca na ciężary opadowe,
np. w sztolniach elektrowni wodnych
■ bez własnego zasilania hydraulicznego. Układ korzysta wtedy np. z wysokociśnieniowych instalacji hydraulicznych współpracującego urządzenia.
Budowa modułowa napędów HYsec
umożliwia wykonywanie ich w najróżnorodniejszej konfiguracji, dostosowanej
każdorazowo do potrzeb klienta. Przykładowe wykonania:
Pionowe usytuowanie cylindra hydraulicznego oraz zmiana kształtu obciążnika zmniejszyło nieco zapotrzebowanie miejsca na napęd, co w niektórych
przypadkach miało istotne znaczenie,
a później stało się regułą.
Ilustracja 9 pokazuje wytwarzane
obecnie wykonania podstawowe.
Jakie są najistotniejsze cechy techniczne przy doborze napędów HYsec:
■ czas zamykania (lub otwierania – w wersji szybkootwierającej) – jest to czas
opadania ciężaru. Regulowany może
być w pewnych granicach wydajności za
pomocą zaworka dławiącego, jest jednak konstrukcyjna granica minimalnego czasu, wynosząca np. od ok. 3
sekund dla armatury DN 300, i około 9
sekund dla średnic DN 1200. Krótsze
czasy spowodowałyby nadmierne
przeciążenia dynamiczne układu.
■ czas otwierania (lub zamykania) – jest
to czas podnoszenia ciężaru. Zależny
jest od wydajności hydraulicznego układu pompowego. W praktyce stosuje się
czasy od 30 sek. do nawet 900 sek.
Czasy te muszą być zawsze uzgadniane pomiędzy wytwórcą a użytkownikiem już w fazie projektowania. Późniejsza zmiana, już po zainstalowaniu,
może być bardzo kłopotliwa.
Przykłady zainstalowanych napędów
hydrauliczno-ciężarowych w Polsce
■ możliwość regulacji przepływu przez
12
W Polsce pracuje szereg instalacji,
w których jest zabudowana armatura
z napędami elektrohydraulicznymi firmy
VAG, w różnej konfiguracji. Na przykład:
■ Rurociągi magistralne systemów wodociągowych. Pracują tam np. zabudowane na wodociągu magistralnym
DN 800 w latach 80-ych ub. wieku zabezpieczenia przeciwpęknięciowe,
■ Instalacje zabezpieczające na sieciach
gazowych w hutnictwie, DN 800 .. 1200,
■ Instalacje zabezpieczające na sieciach gazu koksowniczego w koksowniach. W jednej z polskich koksowni
pracuje od kilkunastu lat największa
w świecie instalacja zabezpieczająca
oparta na przepustnicach VAG EKN
DN 1400 z napędami elektrohydraulicznymi, w układzie zarówno szybkozamykającym, jak i szybkootwierającym.
III. Nowe zastosowania armatury
z napędami szybkodziałającymi
VAG HYsec
Od kilkunastu lat rozwija się nowa
dziedzina zastosowania dużej armatury
z napędami bezpieczeństwa, jako armatury przeciwzwrotnej sterowanej na pompach. Przy dużych średnicach króćców
wylotowych pomp – zarówno w siłowniach jak i zakładach wodociągowych –
powyżej DN 1000 zaczynają się pojawiać trudności z doborem odpowiedniej armatury zwrotnej.
Dostępna armatura zwrotna jest
ciężka, ma duże gabaryty i daje duże
opory przepływu, generując niepotrzebnie straty energii.
Zastosowanie jednej armatury, np.
przepustnicy VAG EKN z szybkodziałającym napędem elektrohydraulicznym daje wiele korzyści:
■ kontrolowany przebieg zamykania
przepływu przy wypadnięciu pompy z
ruchu,
■ kontrolowany przebieg otwierania
przypływu przy uruchamianiu pompy,
■ możliwość pewnego odcięcia np.
przy pracach remontowych,
wykorzystanie właściwości regulacyjnych przepustnic.
W praktyce więc jedna armatura z
napędem elektrohydraulicznym może
zastąpić dwie: zawór zawrotny, armaturę
zaporową.
Największe zrealizowane układy to
przepustnice VAG EKN DN 2400 dla
bloków energetycznych mocy 900 MW.
Powszechnie spotykana wielkość to DN
1200 … DN 2000.
Należy tu wyraźnie zaznaczyć: stosowanie armatury – przepustnic – na wylocie pomp, jako armatury przeciwzwrotnej musi być ściśle i wyraźnie uzgodnione z dostawcą pomp (!), jest to
bowiem armatura zabezpieczająca pompę.
Przepustnice na wylocie pomp mogą
zostać wyposażone w dodatkowe zabezpieczenie blokujące, chroniące
przed przypadkowym otwarciem.
Urządzenia blokujące, najczęściej 3 na
obwodzie, mają postać sworzni wsuwanych w światło przepustnicy, co uniemożliwia otwarcie dysku. Przepustnice
z takimi zabezpieczeniami, zabudowane na wylotach pomp, są jedynymi zabezpieczeniami np. na wypadek remontu jednej pompy przy pracy drugiej.
Ostatnio dobiegł końca montaż pierwszej armatury przeciwzwrotnej w formie przepustnic VAG EKN DN 1200 w
ramach robót modernizacyjnych na
dwóch nowych pompach wody chłodzącej w jednej z polskich elektrowni. Zamówione zostały też już następne zespoły armatury DN 1600 i DN 2000 dla
innych zakładów.
VAG Armatura Polska Sp. z o.o.
ul. Krzywickiego 34, 02-078 Warszawa
tel.: (22) 609 74 84; fax: (22) 609 74 85
e-mail: [email protected]
www.vag-polska.com
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2012