2.3 Підбір запобіжних клапанів

Відповідно до правил безпеки в газовому господарстві на кожному ГРП або ГРУ необхідно встановлювати два запобіжних клапани - один запірний, інший скидний.

Запірний клапан (ЗЗК) встановлюється до регулятора по ходу газу і настроюється на попередньо допустиме підвищення і допустиме пониження тиску газу за регулятором. Запірний клапан призначений для автоматичного відключення газу перед регулятором у разі різкого підвищення або пониження тиску газу за регулятором вище встановлених меж.

Скидний клапан (ЗСК) призначений для запобігання спрацюванню запірного клапана при незначному підвищенні тиску газу за регулятором.. Настройку скидного клапана проводять таким чином, щоб він починав скидати газ в атмосферу при тиску в газопроводі більше, ніж нормальний, що підтримується регулятором і менше, ніж тиск, на який настроєний запірний клапан.

У відповідності з ДБН В.2.5-20-2001, ЗСК повинен бути настроєним на відкриття при перевищенні встановленого максимального робочого тиску не більш ніж на 15%, а ЗЗК настроюють на спрацювання при тиску, що перевищує на 25% максимальний допустимий робочий тиск газу в газопроводі за регулятором.

Згідно з 1,2 верхня межа настройки ЗЗК визначається за формулою(для тупикових газових мереж):

, кПа, (2.8),

де p_2над - робочий (надлишковий) тиск газу після регулятора тиску, кПа.

Значення верхньої межі настроювання ЗСК визначається за формулою (для тупикових газових мереж):

, кПа .

Для кільцевих газових мереж межі настроювання приймаються:

- для ЗЗК

, кПа;

- для ЗСК

, кПа.

Нижня межа настроювання ЗЗК вибирається з умови запобігання проскакування полум'я. Для мереж низького тиску, які забезпечують газом житлові будівлі, ця межа приймається рівною 300 Па [3].

Діаметр умовного проходу ЗЗК приймається, як правило, рівним діаметру умовного проходу регулятора тиску, а вибрана межа настроювання повинна забезпечувати безпечну роботу пальників,тобто підібраний ЗЗК підходить, якщо входить у його межі настроювання.

Основні характеристики запобіжних запірних клапанів приведені в таблицях 2.3 і 2.4.

Таблиця 2.3- Основні характеристики запобіжних запірних клапанів [1]

		Межі настроювання, кПа
Тип клапана	Вхідний тиск, МПа	при зростанні тиску				при зменшенні тиску
		на низькому тиску	на середньо-му тиску			на низькому тиску		на середньо-му тиску
ПК - 80	1,0 - 1,2	3,6 - 10		10 - 150	0,4 - 0,6		1,5 - 3,0
ПК - 100	1,0 - 1,2	3,6 - 10		10 - 150	0,4 - 0,6		1,5 - 3,0
ПК- 150	1,0 - 1,2	3,6 - 10		10 - 150	0,4 - 0,6		1,5 - 3,0
ПК- 200	1,0 - 1,2	3,6 - 10		10 - 150	0,4 - 0,6		1,5 - 3,0
ПК - 300	1,0 - 1,2	3,6 - 10		10 - 150	0,4 - 0,6		1,5 - 3,0
ПЗКн- 32	0,6	2 - 4		-	0,3 - 0,5		-
ПЗКн-50-Ш	0,6	2 - 4		-	0,3 - 0,5		-
ПЗКс-50	0,6	-		10 - 150	-		1,5 - 3,0
ПКН(В)-50	1,2	2 - 60		30 - 600	0,3 - 3		3 - 30
ПКН(В)-100	1,2	2 - 60		30 - 600	0,3 - 3		3 - 30
ПКН(В)-200	1,2	2 - 60		30 - 600	0,3 - 3		3 - 30
ПКК-40МН -С	0,6	1,5 - 5		5 - 60	-		-

Примітки. 1 Число після шифру клапана - умовний діаметр, мм. 2 Вхідний тиск ПКН Могилів-Подільського ремонтно-механічного заводу комунального обладнання 0,6 МПа. 3 ПКВ виробництва ПО “Моспромбудмеханізація" може настроюватися на спрацьовування при зростанні тиску, що контролюється до 6,5 МПа. 4 Клапан ПКК-40МН -С закривається при зменшенні вхідного тиску до 10 - 15 кПа

Таблиця 2.4 - Основні розміри, мм, і маса клапанів типу ПКН і ПКВ [1]

Умовний прохід, мм	Довжина, мм	Висота, мм	Ширина, мм	Маса, кг
50	230	476	305	32
80	310	615	313	52
100	350	590	313	54
200	600	725	390	141

Необхідна кількість газу, що підлягає скиданню запобіжним скидним клапаном, при наявності перед регулятором тиску ЗЗК, визначається за формулою [2]

,м³/ год, (2.9),

де Q_р - розрахункова пропускна спроможність регулятора тиску, м³/год, що визначається за формулами (2.3) і (2.4).

Дійсна пропускна спроможність мембранно-пружинних ЗСК визначається за формулою [3]

,м³/ год, (2.10),

де Q_d - дійсна пропускна спроможність ЗСК, м³/год;

- коефіцієнт витрати (вказується в паспорті);

B - коефіцієнт, що залежить від відношення абсолютних тисків після клапана і до нього (приймається за таблицею 2.5);

F - площа перетину сідла, рівна найменшій площі перетину в проточній частині, мм²;

_{0 -} густина газу при нормальних умовах, кг/ м³;

р_вх - абсолютний вхідний тиск в ЗСК, кПа;

p - перепад тиску на клапані, кПа (приймається рівним різниці вхідного і вихідного тиску).

Для запобіжного скидного клапана ЗСК-50 площа сідла дорівнює F = 1960 мм², коефіцієнт витрати для клапанів з направляючими ребрами дорівнює  = 0,3, для клапанів без ребер  = 0,6 [3].

Підібраний ЗСК підходить, якщо входить у його межі настроювання, а Q_d  Q_ЗСК.

Дані по запобіжних скидних клапанах приведені в таблицях 2.6-2.7.

Q_p залежить крім типорозміру ЗСК від вхідного p_вх і вихідного р_вих тисків, а також від густини газу при тиску p_вх і робочій температурі t₁. При практичних розрахунках помилково розуміють під p_вх тиск у контрольованій точці газопроводу , тобто фактично тиск настроювання регулятора р₂, збільшене на 15 -25 %, а під р_вих - атмосферний тиск р_о. У дійсності ці умови зберігаються тільки до моменту початку скидання газу через ЗСК Зі збільшенням відкриття скидного пристрою

Таблиця 2.5- Коефіцієнти В для газів з показником адіабати 1,3 [3]

	рвих/рвх		В		рвих/рвх	В	рвих/рвх		В	рвих/рвх			В
0,08		0,492		0,36		0,590	0,56	0,711			0,72	0,826
0,12		0,503		0,4		0,609	0,58	0,726			0,76	0,852
0,16		0,515		0,44		0,630	0,6	0,741			0,8	0,878
0,2		0,527		0,48		0,654	0,62	0,756			0,84	0,904
0,24		0,541		0,5		0,667	0,64	0,770			0,88	0,929
0,28		0,556		0,52		0,681	0,66	0,784			0,92	0,953
0.32		0,572		0.54		0,506	0,68	0,798			0,96	0,977

росте витрата газу через нього, і відповідно зростає різниця між й p_вх і між р_вих і р_о. Ця різниця досягає максимального значення при тиску , при якому визначається Q_p [6].

В газопроводах низького тиску зазначені різниці тисків при витраті газу Q_ЗВК можуть виявитися такими, що дорівнюють тисками р_вх і p_вих. Це означає, що при витраті газу Q_ЗВК може створитися ситуація, коли тиску р_вх виявиться недостатньо для подолання сумарного опору в трубопроводах, що підводить і скидає газ, а також у ЗСК. Тому при визначенні Q_р під розрахунковими тисками p_вх і р_вих варто розуміти тиски у вхідному й вихідному патрубках ЗСК, а розрахунок робити не окремо взятого ЗСК, а системи скидних трубопроводів і ЗСК (трубопровід, що підводить газ точки газопроводу, що контролюється —ЗСК—скидний трубопровід. Для цього до розрахунку Q_p необхідно визначити конфігурацію й довжину трубопроводів, що підводить газ до ЗСК і скидає його, задатися їхніми діаметрами і підрахувати втрати тиску в них р₁ й р₂ при витраті газу Q_ЗСК із урахуванням кількості й характеристики місцевих опорів на цих трубопроводах. Тоді [6]

р_вх= -р₁=1,25 p_2над - р₁ (2.11).

Розрахунковий тиск р_вих можна умовно прийняти рівним втратам тиску р₂ у скидному трубопроводі (від вихідного патрубка ЗСК до місця виходу газу в атмосферу). Якщо в точці, що контролюється, підтримується середній тиск, то р_вих може значно відрізнятися від р₂, але в кожному разі повинне бути витримане співвідношення

р_вих  р₂ (2.12).

Для спрощення наступних розрахунків Q_p приведемо загальноприйняту методику визначення втрат тиску в газопроводах низького, середнього й високого тиску з урахуванням характерних особливостей системи трубопровід, що підводить газ від точки газопроводу, що контролюється —ЗСК—скидний трубопровід.

1) Розрахункову витрату газу через трубопроводи, що підводить і скидають, приймаємо рівною Q_ЗСК скидного пристрою.

2) Знаючи конфігурацію й дійсну довжину, м, трубопроводів, що підводить і скидає газ - l_дп і l_дс , визначаємо їхні розрахункові довжини, м, I_n й 1_з за формулами

(2.13);

(2.14),

де _п й _з -сума коефіцієнтів місцевих опорів відповідно для трубопроводів, що підводить і скидає газ;

l_э— довжина прямої ділянки трубопроводу заданого діаметра D_y, яка еквівалентна за втратами тиску місцевому опору з =1,0 при витраті газу Q_ЗСК.

Згідно ДБН В.2.5-20-2001, еквівалентну довжину 1_э, м, визначають за формулами

- для ламінарного режиму руху газу

; (2.15);

- для критичного режиму руху газу

; (2.16);

- для всієї області турбулентного режиму руху газу

. (2.17);

де d-внутрішній діаметр трубопроводу, що підводить (d_п} або скидає (d_c) газ, см;

n-коефіцієнт, що враховує вплив шорсткості внутрішньої поверхні труби (для сталевих трубопроводів n=0,01 см),

 - -коефіцієнт кінематичної в'язкості м²/с (для природних газів можна прийняти =14,46Xl0 ^-6 м²/с)

Q - розрахункова витрата газу, що дорівнює Q_ЗСК, м³/год.

3) Втрати тиску, Па, у трубопроводах, що підводить (р₁) і скидають (р₂) газ, визначаються відповідно по формулах

, (2.18);

, (2.19),

де h₁ і h₂ – втрати тиску, Па/м, на 1 м прямої ділянки трубопроводів, відповідно, що підводить і скидає газ, при витраті газу Q_ЗСК, які визначаються за формулами [2]

- для ламінарного режиму при числі Рейнольдса - Re2000

, (2.20);

- для критичного режиму руху газу при Re=2000-4000

, (2.21);

- для турбулентного режиму руху газу при Re>4000

, (2.22),

де Q - розрахункова витрата газу при температурі 0 ⁰С и тиску 0,1 МПа, м³/год;

d - внутрішній діаметр газопроводу, см;

 - коефіцієнт кінематичної в'язкості при температурі 0 ⁰С и тиску

0,1 МПа, м²/с;

 - густина газу при температурі 0 ⁰С и тиску 0,1 МПа, кг/м³;

n - еквівалентна абсолютна шорсткість внутрішньої поверхні стінки труби, см, приймається для сталевих труб - 0,01;

l - розрахункова довжина газопроводу постійного діаметра, м;

4) Тиск у вхідному патрубку ЗСК визначається по формулі (2.11).

5) Гідростатичний напір на вертикальних ділянках визначається за формулою

, Па, (2.23),

де z - різниця відміток початку й кінця ділянки, м;

g - прискорення вільного падіння, м/с²;

_в - густина повітря, кг/м³;

_г- густина газу, кг/м³.

6) Тиск у вихідному патрубку ЗСК визначається по формулі (при _г _в)

, (2.24).

7) Перепад тиску в ЗСК

p=р_вх -р_вих (2.25).

8) Пропускну спроможність повнопідйомного клапана ПСПК-50, м³/ч, можна підрахувати за формулою [3]

(2.26),

де  - коефіцієнт витрати клапана.

Пропускну спроможність СППК4Р при використанні природних газів з густиною близькою до 0,73 кг/ м³і тиску у вхідному патрубку p₁126,5 кПа, м³/год, визначають за формулою [1]

, (2.27).

Якщо p₁126,5 кПа і густина газу =0,73 кг/ м³, [1]

, (2.28),

де F- площа сідла, мм² ( приймається за таблицею 2.41);

- коефіцієнт витрати клапана (приймається за таблицею 2.41);

p₁- тиск в клапані (надлишковий), кПа;

p - перепад тиску в клапані, кПа.

При визначенні пропускної спроможності ЗСК розрахункові тиски р_вх і р_вих повинні прийматися такими, які можуть мати місце у вхідному і вихідному патрубках клапана, тобто з урахуванням втрати тиску в тому трубопроводі, що підводить газ, і скидному трубопроводі при витраті газу Qзск. Тоді р_вх буде дорівнювати тиску в точці газопроводу, що контролюється за відрахуванням втрати в трубопроводі, що підводить газ, а р_вих буде дорівнювати втраті тиску в скидному трубопроводі (тиски надлишкові). Особливе значення має облік втрати тиску при установці ЗСК на газопроводах низького тиску, де її значення може наближатися до р_вх.

Пропускна спроможність клапана ПСК-50 приведена в таблиці 2.8 [4].

Таблиця 2.6- Технічні характеристики клапанів СППК4Р [1]

Клапан	Розміри,мм				Коефіцієнт витрати, 		Площа сідла, мм2
	висота	довжина	діаметр сідла	Dу
СППК4Р-50-16	760 600	100 130	30	50		0,6		706
СППК4Р-80-16	865 690	110 150	40	80		0,6		1256
СППК4Р-100-16	1090 845	130 165	50	100		0,6		1962
СППК4Р-150-16	1425 1055	200 205	72	150		0,4		4069
СППК4Р-200-16	1800 1360	280	142	200		0,7		15828

Примітки. 1 Перше число після позначення клапана - умовний діаметр вхідного патрубка D_у, мм, друге число - максимальний вхідний тиск, кг/ см²

2 Розміри в знаменнику дані для клапанів нових модифікацій.

Таблиця 2.7- Характеристики клапанів ПСК-50

	Діапазон	Тарілка
	настроювання	і диск, мм		Номер	Маса,
Клапан	на спрацювання			пружини	кг
	кПа	D,	D,
ПСК-50Н	1—5	170	140	1315-08
ПСК-50С	20—50	170	140	1315-09	6,2
ПСК-50В	50—120	130	60	1315-09
ПСК-50Н/0,05	2—5	170	140	1315-08
ПСК-50С/0,5	20—50	170	140	1315-09	5,7
ПСК-50С/1,25	50—125	130	60	1315-09

Примітка. Розміри пружини 1315-08 (1315-09), мм: діаметр дроту 3 (6), діаметр пружини 38 (42), висота 74,4 (78); число витків 14 (12).

Таблиця 2.8- Пропускна спроможність клапана ПСК-50 з направляючими ребрами на плунжері

	Скидання газу, м3/год, при настроюванні					Скидання газу, м3/год, при настроюванні
pk, Па	на тиск, Па				pk, Па	на тиск, Па
	1000	2000	3000	4000		20000	30000	40000	50000
1500	0,6	-	-	-	22000	0,5	-	-	-
2500	27	0,5	—	—	25000	12,4	—	—	—
3500	77	31	0,2	—	35000	125	7	—	—
4000	94	65	3	—	45000	285	100	5,3	—
5000	111	101	54	0,8	50000	350	212	32,8	—
					55000	400	290	100	9,6
					60000	450	368	226	47,5

Примітки. 1. p_k - тиск газу в точці, що контролюється.

2. Пропускна спроможність клапана ПСК-5ОН/0,05 (без направляючих ребер) може при тих же параметрах прийматися вдвічі більшою.