Системы подачи и распределения газов

Знакомство с системами подачи и распределения газов

Что представляет собой система подачи и распределения газов?

Система подачи и распределения газов — это набор взаимосвязанных специальных компонентов, в том числе регуляторов, шлангов, трубок, фитингов, клапанных блоков и клапанов, обеспечивающих доставку газа от одного или нескольких источников высокого давления к назначенному месту потребления.

Где применяются эти системы?

Предприятия, которые регулярно потребляют значительные объемы промышленного газа, обеспечивают его доставку в места потребления с помощью систем подачи и распределения газов. К предприятиям, на которых часто применяются системы подачи и распределения газов, относятся:

• внутренние лаборатории (например, лаборатории проверки проб);
• промышленные системы (например, анализаторные шелтеры);
• исследовательские центры (например, центры НИОКР при частных компаниях, государственных учреждениях и университетах);
• химические и газовые компании (например, нефтяные компании и компании по производству упаковки);
• медицинские учреждения.

Зачем применяются эти системы?

Предприятия, на которых применяются системы подачи и распределения газов, получают следующие преимущества.

Как применяются эти системы?

Помимо своего непосредственного назначения — предоставление точек доступа к подаваемому газу — система подачи и распределения газа также обеспечивает выполнение важнейших эксплуатационных задач, в числе которых:

• безопасная транспортировка реактивных, токсичных и коррозионных газов без вредных утечек;
• доставка газа в точки потребления под указанным давлением при различных значениях расхода;
• предотвращение внепланового простоя важнейших систем подачи газов;
• транспортировка дорогостоящих газов высокой степени очистки без загрязнения и потерь.

Решение проблем, связанных с подачей и распределением газов

Сравнение устаревших и новых систем

Для надлежащей эксплуатации и техобслуживания системы подачи и распределения газов стоит сравнить обслуживание устаревшей системы, вероятно, установленной не теми людьми, которые сейчас осуществляют ее эксплуатацию и обслуживание, с обслуживанием новых систем. Несмотря на некоторые сходства между этими двумя категориями, существующие различия требуют изменения приоритетов при решении проблем с эксплуатацией и техобслуживанием.

Устаревшие системы

Инженеры, руководители и технические специалисты, ответственные за эксплуатацию и обеспечение бесперебойной работы устаревших систем подачи и распределения газов, часто сталкиваются с проблемами, связанными, в первую очередь, с их поставщиком и конструкцией. Во многих случаях поставщик газа бесплатно предоставляет систему заказчику. Хотя это и удобно, подобные системы не всегда подходят для долгосрочной эксплуатации в вашей отрасли применения. Могут возникнуть проблемы, связанные с:

• универсальным подходом;
• ограниченным выбором компонентов;
• подверженностью предоставленных фитингов износу в процессе регулярного техобслуживания;
• выбором материалов, соответствующих лишь минимальным эксплуатационным и нормативным требованиям;
• ограниченной оптимизацией и технической поддержкой.

Без точной документации проблемы с эксплуатацией и техобслуживанием могут возникать даже несмотря на продуманные характеристики устаревших систем. Системы с устаревшей конструкцией зачастую не имеют надлежащей маркировки и не так интуитивно понятны, как их современные аналоги. Без надлежащих схем нельзя быть уверенным, что даже плановое техобслуживание или ремонт не приведут к ухудшению технических характеристик системы или к ее полной неработоспособности.

Эти проблемы особенно актуальны, если первоначальный срок службы системы был продлен за счет установки новых компонентов, зачастую от других поставщиков. Все эти проблемы могут вызвать у инженеров и руководителей стойкое ощущение, что они унаследовали чужие неустранимые проблемы. В результате даже выявление утечек и ремонт могут быть отложены из-за сомнений в их эффективности или ожидаемых затрат.

Новые системы

Рассмотрев некоторые проблемы, связанные с эксплуатацией устаревших систем подачи и распределения газов, давайте теперь взглянем на требования по эффективности, связанные с проектированием новой системы. Понимание этих требований, которые относятся к устранению ранее существовавших проблем и характеристикам новых систем, поможет определить оптимальный способ достижения надежности и эффективности.

Хороших показателей системы подачи и распределения газов во всех четырех категориях (безопасность, экономия ресурсов, время бесперебойной работы и издержки) можно добиться за счет применения следующих мер: специальное обучение, правильный выбор компонентов и консультации профессионалов.

Улучшение безопасности

Независимо от горючести или воспламеняемости утечка любого газа из системы подачи и распределения представляет потенциальный риск для безопасности. Даже инертные газы, такие как азот, могут привести к удушению из-за чрезмерного вытеснения кислорода из атмосферы в замкнутом пространстве. Утечка токсичных и реактивных газов представляет собой еще большую угрозу.

Фитинги и предотвращение пожаров

Пожар становится очень серьезной угрозой при одновременном наличии трех составляющих, необходимых для возгорания: топливо, тепло и кислород (как показано на диаграмме «пожарный треугольник»). Несмотря на то что устранение любой из трех составляющих предотвратит возгорание, следует всегда соблюдать осторожность при подаче и распределении газов во избежание пожара. Например, невыявленная утечка водорода или кислорода из фитингов может привести к возгоранию.

По возможности проектировщикам, руководителям и пользователям систем следует пройти обучение по вопросам пожарной безопасности. Всегда тщательно изучайте правила и рекомендации по транспортировке конкретных газов и включайте их в политики и руководства, а также регулярно проводите аудиты, чтобы убедиться в том, что транспортировка вредных веществ осуществляется надлежащим образом. Лица, ответственные за проектирование систем подачи и распределения газов, должны быть обучены правильной транспортировке всех потенциально опасных газов и должны указать в проектной документации, где и почему в системе были внедрены функции обеспечения безопасности.

Выбор грамотно спроектированных фитингов, которые устойчивы к износу, существенно снижает вероятность утечек и соответствующие риски, связанные с транспортировкой реактивных и инертных газов. Выбор регуляторов давления правильного размера и из подходящих материалов также поможет устранить риски, связанные с избыточным давлением. Тщательный выбор этих компонентов не только важен для безопасности и здоровья персонала, но и позволяет снизить вторичные риски: нормативные и (или) репутационные риски, вызванные сбоем системы. Кроме того, правильный подбор компонентов существенно повышает эффективность и долговечность системы.

Для устранения проблем безопасности на каждом этапе проектирования и внедрения системы следует консультироваться со специалистами по рискам, связанным с подачей и распределением газов. При работе с устаревшими системами подачи и распределения газов тем более нужно обращаться к специалистам, которые могут провести тщательную проверку на наличие утечек, чтобы выявить, классифицировать и приоритизировать возможные опасности.

Экономия времени и ресурсов

Точный, предсказуемый и надежный контроль давления во всей системе — именно так грамотно спроектированная система подачи и распределения газов может обеспечить эффективное потребление ресурсов на предприятии. Несовместимые компоненты системы регулирования давления часто ведут к ее низкой эффективности, увеличению частоты техобслуживания и снижению качества или объема выпуска продукции.

Работа компонентов системы

Для правильного проектирования системы подачи и распределения газов важно понимать принципы того, как различные регуляторы взаимодействуют между собой для поддержания давления. Несмотря на то что обычно системы подачи и распределения газов считаются не более чем набором клапанов и трубок для подсоединения к газовым баллоном, реальность гораздо сложнее, и ее не всегда осознают. Возьмем, к примеру, такое явление как «эффект нагнетаемого давления» (SPE).

Когда содержимое газового баллона под давлением попадает в систему подачи и распределения газов с регулируемым давлением, давление на входе падает. Если спросить, как это повлияет на давление на выходе системы, вам, как правило, ответят, что давление на выходе также упадет.

Однако в связи с эффектом нагнетаемого давления происходит обратное: когда давление на входе падает в результате опустошения баллона, давление на выходе наоборот растет — нелогичный результат, который часто удивляет людей. Разумеется, без понимания принципов действия SPE это явление может ввести вас в замешательство и даже создать впечатление отказа одного или нескольких компонентов системы. Это приводит к выполнению ненужного техобслуживания и пустой трате времени.

Есть несколько методов борьбы с SPE, один из которых заключается в простом ручном сбросе давления на выходе в ответ на возникновение вышеупомянутого эффекта. Однако этот метод эффективен и удобен только в редко используемых системах.

Альтернативным методом является выбор и установка регулятора давления с уравновешенным золотником, в котором для противодействия падению давления на входе в специально спроектированный узел золотника используется компенсация давления на выходе.

Другая альтернатива — установка второго регулятора давления на одной линии с первым или размещение обоих регуляторов в общем корпусе для противодействия SPE во входном регуляторе путем создания обратного эффекта выходным регулятором. Такая конфигурация называется двухступенчатым регулированием.

На примере SPE легко понять, почему знание принципов работы регулятора давления имеет важное значение для правильного проектирования системы подачи и распределения газов. Знание принципов работы также важно для понимания функций других компонентов, например регуляторов обратного давления, которые при неправильной установке могут нарушить или свести на нет работу остальных регуляторов в системе. Программы обучения от лидеров отрасли и преподавателей можно эффективно применять для ознакомления инженеров и руководителей с подобными аспектами проектирования и работы компонентов.

Помимо понимания принципов работы регулятора давления, также важно ознакомиться с их эксплуатационными характеристиками. Они указаны на графиках, называемых «кривыми расхода».

Кривые расхода

Регуляторы управляют давлением. Выходные клапаны контролируют расход — объем газа, проходящего через регулятор каждую секунду. Каждый регулятор имеет соответствующую кривую расхода , описывающую, насколько эффективно он может поддерживать давление на выходе (ось Y на графике) в ответ на изменения расхода (ось Х на графике), происходящие при открытии и закрытии клапанов. Как видно на диаграмме, поддерживаемое давление на выходе обратно пропорционально расходу: когда расход увеличивается, давление на выходе уменьшается и наоборот.

Внимательно изучив график, вы увидите на оси Х широкий прямой участок, в котором изменения расхода приводят к относительно небольшим изменениям поддерживаемого давления. Этот участок представляет собой «идеальный рабочий диапазон» регулятора, т. е. условия, при которых он наиболее эффективно контролирует давление на выходе. Нисходящая кривая называется «кривой спада», а идеально прямая горизонтальная линия представляет собой гипотетический, но недостижимый в реальности идеал.

По краям кривой также есть участки, на которых даже небольшие изменения расхода ведут к резкому изменению поддерживаемого давления. Крутой участок кривой на левом краю графика называется «падением давления при открытии» или «эффектом закрытия». Это участок очень низкого расхода, на котором выходной клапан почти полностью закрыт. Крутой участок на правом краю графика называется «запертым потоком». Это участок высокого расхода, на котором выходной клапан полностью или почти полностью открыт. Это участки, на которых регулятор не может надежно контролировать избыточное давление.

Для подбора регуляторов, которые будут надежно поддерживать желаемое давление, следует выбрать соответствующую кривую расхода для заданного давления (давления, при котором регулятор начинает работу) и внести поправки на температуру, давление на входе и относительный удельный вес газа, чтобы определить ожидаемый расход.

Подбор компонентов

Теперь, когда вы понимаете суть желаемых эксплуатационных характеристик (т. е. расхода и давления), вы сможете выбрать подходящие регуляторы давления в любой из четырех категорий настраиваемых подсистем газовых щитов, из которых обычно состоит эффективная система подачи и распределения газов.

• разрядная рампа
• подсистема автоматического переключения
• подсистема регулирования давления основного газа
• подсистема места потребления

Разрядная рампа

Разрядная рампа — это начальная точка системы, в которой газ из источника высокого давления, зачастую в виде баллона под давлением, подается в систему подачи и распределения газов. Можно подобрать конфигурацию с соответствующими вспомогательными компонентами, например фильтрами, шлангами, трубками и т. д., для одного или нескольких источников в разных форм-факторах: от единых щитов до больших клапанных блоков для нескольких баллонов.

Подсистема автоматического переключения

Подсистема автоматического переключения незаметно переключается с одного источника газа на другой для обеспечения бесперебойной подачи газа. Это осуществляется за счет заданных со смещением уставок двух регуляторов давления, что позволяет системе продолжать работу в процессе смены источника основного газа.

Подсистема регулирования давления основного газа

Подсистема регулирования давления основного газа находится в середине системы и выполняет первоначальное снижение давления газа высокого давления, подаваемого из разрядной рампы. Эта подсистема может представлять собой одно- или многоступенчатый регулятор давления, контролирующий подачу газа в сегменты системы на выходе.

Подсистема места потребления

Подсистема места потребления — это конечная точка, в которой газ с регулируемым давлением подается в систему, обслуживаемую системой подачи и распределения газов. Подсистема места потребления оснащена, как минимум, регулятором давления, манометром и затворным клапаном для точного регулирования давления в соответствии с потребностями системы.

Консультации специалистов по разработке систем подачи и распределения газов помогут быстро и правильно понять принцип работы регуляторов давления и подобрать их. Правильный выбор регулятора давления с первого раза поможет избежать ненужной траты ресурсов, в том числе материалов для испытаний, проектных ресурсов и трудозатрат.

Консультации специалистов также полезны при изготовлении подходящего регулятора на заказ и (или) заказе вспомогательных принадлежностей для выбранных компонентов. Например, при транспортировке газов высокого давления или опасных газов (таких как кислород) могут потребоваться специальные соединительные компоненты для разрядных рамп, зачастую изготавливаемые из специальных сплавов.

Увеличение времени бесперебойной работы оборудования

Положительное влияние системы подачи и распределения газов на время бесперебойной работы оборудования очевидно. При использовании в конструкции системы высокоэффективных, высококачественных и почти не требующих техобслуживания компонентов подача газа с регулируемым давлением в важные системы, например анализаторы, может осуществляться почти без внеплановых простоев.

Обучение проектировщиков и руководителей принципам работы регуляторов давления позволит им интуитивно понимать работу компонентов, обеспечивающих бесперебойную подачу газа даже при смене источников. Кроме того, надлежащее обучение проектировщиков систем и руководителей различным характеристикам компонентов позволит им использовать компоненты, для которых реже требуется техобслуживание с выводом из эксплуатации.

Одним из компонентов, обеспечивающих бесперебойную работу является подсистема переключения, в особенности автоматического. Подсистема автоматического переключения — это специальный входной щит, который позволяет подсоединять к системе подачи и распределения газов два источника газа, чтобы после опустошения одного баллона незамедлительно задействовался другой, обеспечивая тем самым непрерывность работы. Подсистема автоматического переключения выполняет смену источника без вмешательства человека.

Благодаря консультациям специалистов по проектированию и эксплуатации систем подачи и распределения газов можно составить четкое представление о проблемах, сокращающих время бесперебойной работы. Опытные и хорошо обученные специалисты помогут идентифицировать и классифицировать компоненты по их влиянию на время бесперебойной работы оборудования, что позволит проектировщикам сконцентрироваться на сокращении частоты техобслуживания.

Сокращение издержек

Помимо прочего, грамотно спроектированная система подачи распределения газов поможет сократить эксплуатационные издержки. Как было упомянуто ранее, подбор высоконадежных компонентов из материалов, подходящих для вашей системы, поможет значительно сократить частоту планового техобслуживания и осмотра, а также снизить вероятность внепланового техобслуживания. Кроме того, правильная фильтрация в сочетании с точным контролем давления поможет гарантировать отсутствие загрязнений или отклонения характеристик техпроцесса на выходе.

Надлежащее обучение поможет руководителям и проектировщикам эффективнее координировать свою работу над теми аспектами системы, которые влияют на издержки. Понимание того, как последовательная фильтрация и подбор материалов могут повлиять на работу системы и качество продукта на выходе, поможет избежать незапланированных расходов. Решения, принятые при проектировании, например применение модульных панелей с минимальным количеством резьбовых соединений, помогут сократить количество потенциальных мест утечки, что в свою очередь может уменьшить общие издержки. Обучение различным аспектам материаловедения, связанным с подачей и распределением газов, также поможет избежать расходов, вызванных использованием неподходящих материалов.

При подборе компонентов для системы подачи и распределения газов всегда обращайте особое внимание на их долговечность и учитывайте все ожидаемые эксплуатационные характеристики и требования к материалам. Например, кривые расхода резко меняются в худшую сторону в случае работы регулятора при давлении на входе, на которое он не рассчитан. Аналогичным образом, некоторые газы должны использоваться только с компонентами, подходящими по химическому составу и совместимыми с ожидаемой температурой и давлением источника.

Заключение

Хорошая система подачи и распределения газов — это система, изготовленная на заказ. При проектировании новой или модернизации устаревшей системы нужно обращать особое внимание на инфраструктуру и уникальные условия эксплуатации.

Понимание нюансов различных конфигураций и компонентов систем подачи и распределения газов поможет организациям повысить уровень безопасности, сэкономить ресурсы, увеличить время бесперебойной работы оборудования и, в конечном счете, сократить издержки.

Даже при наличии высококачественных компонентов необходимо тщательно изучить требуемый расход в системе, а также взаимодействие разных входных источников, регуляторов давления разного типа, подсистем потребления и принципы работы системы подачи и распределения газов, прежде чем приступать к проектированию эффективного и экономичного решения.

Компания Swagelok стремится дать подобные знания не только нашим консультантам, но и заказчикам по всей нашей отрасли.

НАЧНИТЕ БЕСЕДУ С НАШИМИ СПЕЦИАЛИСТАМИ ПО СИСТЕМАМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ УЖЕ СЕГОДНЯ

ОБРАТИТЕСЬ В РЕГИОНАЛЬНЫЙ АВТОРИЗОВАННЫЙ ЦЕНТР ПРОДАЖ И СЕРВИСНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ SWAGELOK