أدوات التحكم الذاتية في الضغط وتطبيقاتها

تستعرض هذه الوحدة التعليمية الأنواع المختلفة من أدوات التحكم الذاتية في الضغط، بما في ذلك الصمامات ذات عمل البيلوز المباشر والصمامات ذات عمل الغشاء، والصمامات المُشغَّلة بمنظم طردي، مع إرشادات حول كيفية اختيارها وتثبيتها بشكل صحيح. يتم تناول صمامات تخفيض الضغط إلى جانب صمامات الحفاظ على الضغط وصمامات تصريف الضغط الزائد، مع بعض التطبيقات النموذجية.

لماذا نخفض ضغط البخار؟

السبب الرئيسي لخفض ضغط البخار هو أمر أساسي للغاية. كل جهاز يستخدم البخار لديه ضغط عمل أقصى مسموح به (MAWP). إذا كان هذا الضغط أقل من ضغط إمداد البخار، يجب استخدام صمام تخفيض الضغط لتحديد ضغط الإمداد إلى الحد الأقصى المسموح به. في حالة فشل صمام تخفيض الضغط، يجب أيضًا دمج صمام أمان في النظام. ولكن ليس هذا هو الموقف الوحيد الذي يمكن فيه استخدام صمام تخفيض الضغط بشكل مفيد.

معظم غلايات البخار مصممة للعمل بضغوط عالية نسبيًا ولا ينبغي تشغيلها بضغوط أقل، حيث من المحتمل إنتاج بخار رطب. لهذا السبب، يكون من الأعم اقتصاديًا على المدى الطويل إنتاج البخار وتوزيعه بضغط أعلى، وخفض الضغط قبل أي أجهزة مصممة للعمل بضغط أقل.

يتمتع هذا النوع من الترتيب بميزة إضافيةتمثل في إمكانية استخدام أنابيب توزيع أصغر نسبيًا بسبب حجم البخار الصغير نسبيًا عند الضغط العالي.

نظرًا لأن درجة حرارة البخار المشبع مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بضغطه، يمكن أن يكون التحكم في الضغط طريقة بسيطة وفعالة لتوفير تحكم دقيق في درجة الحرارة. يُستخدم هذا الأمر بشكل فعال في تطبيقات مثل المُعقمات وأجهزة التجفيف بالاتصال حيث يكون التحكم في درجة حرارة السطح صعب التحقيق باستخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة. المنشأة التي تعمل بضغط بخار منخفض -

• تميل إلى تقليل كمية البخار المُنتَجة بواسطة الغلاية بسبب الإنتالبيا العالية للتبخر في البخار المنخفض الضغط.
• ستقلل من فقدان البخار المتأصل الناتج عن فتحات التهوية المفتوحة على خزانات تجميع المكثف. يمكن تقسيم معظم صمامات تخفيض الضغط المتاحة حاليًا إلى المجموعتين الرئيسيتين التاليةين -
• الصمامات ذات العمل المباشر.
• الصمامات المُشغَّلة بمنظم طردي.

الصمامات ذات العمل المباشر

صمامات تخفيض الضغط ذات العمل المباشر ذات السعة الأصغر (الشكل 7.3.1) طريقة التشغيل عند بدء التشغيل وفي حالة ارتخاء نابض الضبط، يحافظ الضغط الصاعد بمساعدة نابض الإرجاع على رأس الصمام مضغوطًا כנגד المقعد في وضع الإغلاق. يؤدي تدوير العجلة اليدوية في اتجاه عقارب الساعة إلى حركة نحو الأسفل، مما يضغط نابض التحكم ويوسّع البيلوز لتعيين ضغط المصب. تُنقل هذه الحركة نحو الأسفل عبر قضيب دفع، مما يفتح الصمام الرئيسي. يمر البخار بعد ذلك عبر الصمام المفتوح إلى أنابيب المصب ويحيط بالبيلوز. مع زيادة ضغط المصب، يعمل عبر البيلوز لمواجهة قوة نابض الضبط، ويغلق الصمام الرئيسي عند الوصول إلى الضغط المُعيَّن. يعمل سدادة الصمام على التعديل في محاولة لتحقيق ضغط ثابت. لإغلاق الصمام، يجب أن يتراكم الضغط حول البيلوز. يتطلب ذلك زيادة في ضغط المصب فوق الضغط المُعيَّن بما يتناسب مع تدفق البخار. سيزداد ضغط المصب مع انخفاض الحمولة وسيكون في أعلى مستوى عندما يكون الصمام مغلقًا. هذا التغيير في الضغط بالنسبة إلى تغيير الحمولة يعني أن ضغط المصب لن يساوي الضغط المُعيَّن إلا عند حمولة واحدة. الضغط الفعلي في المصب مقارنة بنقطة التعيين هو الإزاحة التناسبية؛ ويزداد بالنسبة إلى الحمولة، ويُشار إليه أحيانًا بـ “الانخفاض”. يتكون الضغط الكلي المتاح لإغلاق الصمام من ضغط المصب الواقع على الجانب السفلي من البيلوز بالإضافة إلى ضغط المدخل الواقع على الجانب السفلي من الصمام الرئيسي نفسه والقوة الصغيرة التي ينتجها نابض الإرجاع. لذلك يجب أن تكون قوة نابض التحكم أكبر من الضغط المخفض وضغط المدخل ونابض الإرجاع لتعيين ضغط المصب. أي تغيير في ضغط المدخل سيؤثر على القوة التي ينتجها على الصمام الرئيسي وبالتالي يؤثر على ضغط المصب. يعاني هذا النوع من صمامات تخفيض الضغط من عيبين رئيسيين وهما أنه -

1. يتعرض للإزاحة التناسبية مع تغير تدفق البخار
2. لديه سعة منخفضة نسبيًا. ومع ذلك، فإنه مناسب تمامًا لمجموعة كبيرة من التطبيقات البسيطة حيث لا يكون التحكم الدقيق ضروريًا وحيث يكون تدفق البخار صغيرًا نسبيًا وثابتًا بشكل معقول. صمامات تخفيض الضغط ذات العمل المباشر ذات السعة الأكبر (الشكل 7.3.2) ****تتوفر أيضًا صمامات تخفيض الضغط ذات العمل المباشر ذات السعة الأكبر للاستخدام في المنشآت ذات السعة الأكبر أو في أنابيب توزيع البخار الرئيسية. تختلف قليلًا عن الصمامات ذات السعة الأصغر في أن قوة المُنشِّئ مقدمة من الضغط الواقع على غشاء مرن داخل المُنشِّئ بدلاً من البيلوز. نظرًا لأنها ليست مُشغَّلة بمنظم طردي، فإنها ستتعرض لتغيّر في ضغط المصب مع تغيّر تدفق البخار، ويجب أخذ ذلك بعين الاعتبار بعناية عند اختيار الصمام وتحديد حجمه. يُثبَّت هذا النوع من الصمامات مع المُنشِّئ تحت الأنبوب عند استخدامه مع البخار، ويحتوي على وعاء ختم مائي لمنع درجات الحرارة العالية للبخار من الوصول إلى الغشاء المرن للمُنشِّئ وإتلافه، والذي يُصنع عادة من النيوبرين. يُظهر الشكل 7.3.3 مثالًا نموذجيًا لتثبيت لخفض ضغط أنابيب البخار الرئيسية.

الصمامات المُشغَّلة بمنظم طردي

حيثما يُطلب تحكم دقيق في الضغط أو سعة تدفق كبيرة، يمكن استخدام صمام تخفيض ضغط مُشغَّل بمنظم طردي. يُوضَّح مثل هذا الصمام مخططًا في الشكل 7.3.4. عادةً ما يكون صمام تخفيض الضغط المُشغَّل بمنظم طردي أصغر من صمام العمل المباشر بنفس السعة. يعمل صمام تخفيض الضغط المُشغَّل بمنظم طردي عن طريق موازنة ضغط المصب عبر أنبوب استشعار الضغط مع نابض ضبط التحكم في الضغط. يحرك هذا صمامًا طرديًا لتعديل ضغط تحكم. يتناسب ضغط التحكم المنقول عبر الصمام الطردي مع فتحة الصمام الطردي، ويُوجَّه عبر أنبوب التحكم إلى الجانب السفلي من غشاء الصمام الرئيسي. يُحرِّك الغشاء قضيب الدفع والصمام الرئيسي بما يتناسب مع حركة الصمام الطردي. على الرغم من أن ضغط المصب وموضع الصمام الطردي يتناسبان (كما في الصمام ذي العمل المباشر)، إلا أن الميزة الميكانيكية التي يوفرها نسبة مساحات الغشاء الرئيسي إلى الغشاء الطردي تقدم دقة مع إزاحة تناسبية صغيرة. في ظل ظروف حمولة مستقرة، يوازن الضغط تحت الغشاء الطردي القوة المُعيَّنة على نابض الضبط. هذا يُثبِّت الصمام الطردي، مما يسمح بضغط ثابت تحت الغشاء الرئيسي. هذا يضمن أن الصمام الرئيسي مُثبَّت أيضًا، مما يوفر ضغط مصب مستقر. عندما يرتفع ضغط المصب، يكون الضغط تحت الغreater الطردي أكبر من القوة التي أنشأها نابض الضبط ويتحرك الغشاء الطردي نحو الأعلى. هذا يغلق الصمام الطردي ويعيق نقل ضغط البخار إلى الجانب السفلي من الغشاء الرئيسي. يتعرض أعلى الغشاء الرئيسي لضغط المصب في جميع الأوقات، وبما أن هناك الآن ضغطًا أعلى فوق الغاء الرئيسي من أسفله، يتحرك الغشاء الرئيسي نحو الأسفل دافعًا البخار الموجود تحته إلى أنابيب المصب عبر أنبوب التحكم وفوهة الضغط الزائد. يُوازن الضغط على جانبي الغشاء الرئيسي، وتُغلِّق القوة الزائدة الصغيرة التي يُنشئها نابض إرجاع الصمام الرئيسي الصمام الرئيسي. سيُستشعر أي تغير في الحمولة أو الضغط على الفور على الغشاء الطردي، الذي سيعمل على تعديل موضع الصمام الرئيسي وفقًا لذلك، مما يضمن ضغط مصب ثابت. يقدم التصميم المُشغَّل بمنظم طردي عددًا من المزايا مقارنة بالصمام ذي العمل المباشر. لا يحتاج سوى كمية صغيرة جدًا من البخار للتدفق عبر الصمام الطردي لضغط حجرة الغشاء الرئيسي وفتح الصمام الرئيسي بالكامل. وبالتالي لا حاجة سوى لتغييرات صغيرة جدًا في ضغط التحكم لإنتاج تغييرات كبيرة في التدفق. لذلك فإن انخفاض ضغط المصب بالنسبة إلى تغييرات تدفق البخار يكون صغيرًا، عادةً أقل من ثلاثة أجزاء من المائة من البار (3 كيلو باسكال؛ 0.5 رطل لكل بوصة مربعة) من المفتوح بالكامل إلى المغلق بالكامل. على الرغم من أن أي ارتفاع في ضغط المدخل سيطبق قوة إغلاق متزايدة على الصمام الرئيسي، إلا أن نفس الارتفاع في الضغط سيعمل على الجانب السفلي من الغشاء الرئيسي وسيوازن التأثير. النتيجة هي صمام يوفر تحكمًا وثيقًا بضغط المصب بغض النظر عن التغيرات في الجانب الصاعد.

في بعض الأنواع من الصمامات المُشغَّلة بمنظم طردي، يحل المكبس محل الغشاء الرئيسي. يمكن أن يكون هذا مفيدًا في الصمامات الأكبر، التي تتطلب غشاء رئيسي بحجم كبير جدًا. ومع ذلك، فإن مشاكل التصاق المكبس في أسطوانته شائعة، خاصة في الصمامات الأصغر. من المهم تركيب مصفاة وفاصل قبل أي صمام تحكم مُشغَّل بمنظم طردي مباشرة، حيث إن البخار النظيف الجاف سيطيل عمره التشغيلي.

اختيار وتثبيت صمامات تخفيض الضغط

الخطوة الأولى الأساسية هي اختيار أفضل نوع من الصمامات لتطبيق معين. يجب تلبية الأحمال الصغيرة حيث لا يكون التحكم الدقيق حاسمًا باستخدام صمامات عمل مباشر بسيطة. في جميع الحالات الأخرى، يكون الصمام المُشغَّل بمنظم طردي هو الخيار الأفضل، خاصة إذا كانت هناك فترات بدون طلب حيث يجب ألا يُسمح بارتفاع ضغط المصب. يجب تجنب التحديد الزائد لجميع أنواع صمامات التحكم، وهذا ينطبق بالتساوي على صمامات التخفيض. يمكن أن تتعرض سدادة الصمام القريبة من مقعدها عند مرور بخار رطب للتآكل السلكي والتآكل المبكر. بالإضافة إلى ذلك، فإن أي حركة صغيرة لسدادة الصمام المُحدَّد بحجم أكبر من اللازم ستحدث تغييرًا كبيرًا نسبيًا في التدفق عبر الصمام، مما يجعل من الأصعب على الصمام التحكم بدقة. سيكون الصمام الأصغر المُحدَّد بالحجم الصحيح أقل عرضة للتآكل وسيوفر تحكمًا أكثر دقة. عندما يكون من الضروري إجراء تخفيضات كبيرة في الضغط أو التعامل مع تقلبات واسعة في الحمولة، قد يكون من الأفضل استخدام صمامين أو أكثر على التوالي أو بالتوازي. على الرغم من أن الموثوقية والدقة تعتمدان على الاختيار والتحديد الصحيح للحجم، إلا أن صمامات تخفيض الضغط تعتمد أيضًا على التثبيت الصحيح. يوضح الشكل 7.3.5 الترتيب المثالي لتثبيت صمام تخفيض ضغط مُشغَّل بمنظم طردي. تُسبب العديد من مشاكل صمامات التخفيض وجود الرطوبة أو الأوساخ. سيساعد فصل بخاري ومصفاة بشبكة ناعمة، إذا تم تركيبهما قبل الصمام، في منع هذه المشاكل. تُثبَّت المصفاة على جانبها لمنع تعبئة الجسم بالماء وضمان فعالية المساحة الكاملة للشبكة. ستستفيد أيضًا صمامات العزل الكبيرة من تثبيتها على جانبها لنفس السبب. يجب أن تكون جميع أنابيب وتركيبات الصعد والمنحدر مُحدَّدة بحجم كافٍ لضمان أن الانخفاض الملموس الوحيد في الضغط يحدث عبر صمام التخفيض نفسه. إذا كانت صمامات العزل بنفس حجم موصلات صمام التخفيض، فستتعرض لانخفاض أكبر في الضغط مقارنة بحال تحديدها بحجم يطابق الأقطار الأكبر المُحددة بشكل صحيح لخطوط الصعود والمنحدر.

إذا كانت أنابيب المصب أو أي منشأة متصلة لا تتحمل الضغط الأقصى المحتمل لضغط المدخل، فيجب تركيب صمام أمان أو صمام تخفيف على جانب المصب. يجب ضبط هذا الصمام عند الحد الأقصى لضغط العمل المسموح به للمعدات، أو أقل منه، بهامش كافٍ فوق ضغط التشغيل العادي. يجب أن يكون قادرًا على التعامل مع الحجم الكامل من البخار الذي يمكن أن يمر عبر صمام التخفيض المفتوح بالكامل، عند الضغط الأقصى المحتمل لضغط المدخل.

يتيح التشغيل بمنظم طردي أيضًا أن يكون صمام التخفيض مدمجًا نسبيًا مقارنة بالصمامات الأخرى ذات السعة والدقة المماثلة، ويسمح بخيارات تحكم متنوعة، مثل التشغيل الإغلاقي، والتحكم المزدوج في الضغط، والتحكم في الضغط ودرجة الحرارة، والتحكم في تخفيض الضغط وتصريف الضغط الزائد، والتعديل اليدوي عن بُعد. يمكن رؤية ثلاثة من هذه التغييرات في الشكل 7.3.6.

يمكن استخدام صمامات التحكم ذات العمل المباشر والمُشغَّلة بمنظم طردي للتحكم في ضغوط المدخل أو المصب. تستشعر صمامات الحفاظ على الضغط (وصمامات تصريف الضغط الزائد) ضغط المدخل، بينما تستشعر صمامات تخفيض الضغط ضغط المصب.

ملخص صمامات تخفيض الضغط

يُشار إلى الصمام الذي يستشعر ويتحكم في ضغط المصب غالبًا بـ “صمام التخفيض” أو “صمام تخفيض الضغط” (PRV). يمكن استخدام مثل هذه الصمامات للحفاظ على ضغط بخار ثابت على صمام تحكم، أو مقياس تدفق بخار، أو مباشرة على عملية. تُختَار صمامات تخفيض الضغط بناءً على السعة ونوع التطبيق.

صمامات الحفاظ على الضغط

تتطلب بعض التطبيقات استشعار ضغط المدخل والتحكم فيه، ويُشار إلى هذا النوع من الصمامات غالبًا بـ “صمام الحفاظ على الضغط” أو “PMV”. تُعرف صمامات الحفاظ على الضغط أيضًا بصمامات تصريف الضغط الزائد أو صمامات التصريف في بعض التطبيقات. مثال على تطبيق PMV سيكون حيث تكون منشأة إنتاج البخار صغيرة الحجم، ومع ذلك يكون تدفق البخار حاسمًا للعملية. إذا كان الطلب على البخار أكبر من إنتاج الغلاية، أو يرتفع فجأة عندما يكون حارق الغلاية مغلقًا، فسينخفض ضغط الغلاية؛ وسيتم إمداد المنشأة ببخار أكثر رطوبة تدريجيًا وقد يُعرَّض تشغيل الغلاية للخطر. إذا استطاعت الغلاية العمل بضغط التصميم، فسيتم الحفاظ على أفضل جودة للبخار. يمكن تحقيق ذلك من خلال تركيب صمامات PMV على كل تطبيق غير حرج (ربما منشأة تدفئة أو منشأة مياه ساخنة منزلية)، مما يُدخل تنوعًا مُتحكَّمًا في المنشأة. ستُغلق هذه تدريجيًا إذا انخفض ضغط المدخل، مما يُعطي الأولوية للخدمات الأساسية. إذا كان يُعتبر جميع الإمدادات أساسية، فهناك مجموعة متنوعة من الخيارات متاحة، لكل منها تكلفة مختلفة. قد يكون الحل الأرخص هو تركيب PMV في مخرج بخار الغلاية (انظر PMV 1 في الشكل 7.3.7). سيعمل هذا على الحفاظ على الحد الأدنى من ضغط البخار في الغلاية، وتنظيم الحد الأقصى للتدفق من الغلاية، وبذلك يحتفظ ببخار عالي الجودة للمنشأة. إذا كان بالإمكان إيقاف تشغيل المعدات غير الأساسية أثناء فترات الذروة، يمكن تركيب صمامات PMV في خطوط التوزيع أو الفروع التي تزود هذه المناطق من المنشأة. عندما تصبح غلاية البخار محملة بشكل زائد، يتم إيقاف الإمدادات غير الأساسية تدريجيًا بواسطة PMV 2 مما يسمح للغلاية بالحفاظ على تدفق البخار إلى المنشأة “الأساسية” بالضغط المناسب. يجب الاعتراف بأن PMV لن يحل دائمًا المشاكل الناتجة عن عدم كفاية سعة الغلاية. أحيانًا، عندما يكون هناك تنوع قليل في المنشآت، لا يتوفر سوى خيار واحد حقيقي، وهو زيادة سعة الإنتاج بإضافة غلاية أخرى. ومع ذلك، هناك أحيانًا يكون البديل الأرخص لخزان بخار مكدس ممكنًا. يتيح هذا تخزين طاقة الغلاية الزائدة خلال فترات المنخفضة. عندما تكون الغلاية محملة بشكل زائد، يُكمل خزان البخار المكدس إنتاج الغلاية عن طريق السماح بتصريف بخار مُتحكَّم فيه إلى المنشأة (انظر الشكل 7.3.8). في الشكل 7.3.8، الغلاية مصممة لإنتاج بخار بضغط 10 بار g، الذي يُوزَّع بضغطي 10 بار g و 5 بار g إلى بقية المنشأة. PRV 1 هو صمام تخفيض ضغط، ومُحدَّد الحجم لتمرير سعة الغلاية مطروحًا منها حمولة البخار عالي الضغط. لأغراض تحديد الحجم، يجب أن تتساوى سعة صمام تخفيض الضغط PRV 2 مع الحد الأقصى لمعدل التصريف والوقت الذي صُمِّم الخزان المكدس للعمل فيه، بينما يجب أن يكون فرق الضغط لأغراض التصميم هو الفرق بين الحد الأدنى لضغط تشغيل الخزان المكدس وضغط توزيع المنخفض الضغط. في هذا المثال، سيُعيَّن PRV 2 للفتح عند حوالي 4.8 بار g تقريبًا. PMV هو صمام الحفاظ على الضغط whose حجمه يعتمد على وقت إعادة الشحن المطلوب من الخزان المكدس والسعة الفائضة المتاحة من الغلاية أثناء إعادة الشحن. عند إعادة الشحن، من المحتمل أن يكون انخفاض الضغط عبر PMV صغيرًا نسبيًا، لذا من المحتمل أن يكون PMV كبيرًا جدًا، عادةً بنفس حجم الخط الذي يُثبَّت فيه. يُعيَّن PMV عادةً للتشغيل أسفل حد ضغط الغلاية الأقصى مباشرة. عندما تكون حمولة المنشأة الكلية ضمن سعة الغلاية، يكون PRV 2 مغلقًا وتُزوِّد الغلاية حمولة البخار المنخفض الضغط عبر PRV 1 المُعيَّن للتحكم بمستوى أعلى قليلًا من PRV2. أي بخار زائد متاح في الغلاية سيسبب ارتفاع ضغط الغلاية فوق نقطة تعيين PMV، وسينفتح PMV لإعادة شحن الخزان المكدس. ستستمر إعادة الشحن حتى يتساوى ضغط الخزان المكدس مع ضغط الغلاية، أو حتى تصبح حمولة المنشأة بحيث ينخفض ضغط الغلاية مرة أخرى أسفل نقطة تعيين PMV. إذا استمرت حمولة البخار المنخفض الضغط في الارتفاع، مما يسبب انخفاض ضغط المصب أسفل نقطة تعيين PRV 2، سينفتح PRV 2 لتوفير البخار من الخزان المكدس، مما يُكمِّل البخار المتدفق عبر PRV 1. هناك أكثر من طريقة لتصميم تركيب خزان مكدس؛ كل منها سيعتمد على الظروف المعنية، وسيكون له تأثير على التكلفة. يُناقَش موضوع المخازن المكدسة بالتفصيل في الوحدة 3.22 “مخازن البخار المكدسة”.

صمامات تصريف الضغط الزائد

يمكن استخدام القدرة على استشعار ضغط المدخل لتصريف الضغط الزائد من نظام البخار بطريقة مُتحكَّمة وآمنة. صمام تصريف الضغط الزائد هو في الأساس نفسه مثل PMV، ينفتح عند استشعار ارتفاع في ضغط المدخل. يُشار إلى صمام تصريف الضغط الزائد أحيانًا بـ “صمام التصريف” عند تصريف البخار إلى الغلاف الجوي. غالبًا ما يُستخدم “صمام تصريف الضغط الزائد” للتحكم في الحد الأقصى للضغط في نظام استرداد البخار المتأصل. إذا كان الطلب على البخار المتأصل أقل من الإمداد المتاح، فسيرتفع ضغط البخار المتأصل وسينفتح صمام تصريف الضغط الزائد لتصريف أي بخار زائد إلى الغلاف الجوي. سيُعيَّن صمام تصريف الضغط الزائد للعمل بضغط أقل من ضبط صمام الأمان. مهم: على الرغم من أن هذا يسمح بالتصريف المُتحكَّم فيه للبخار إلى الغلاف الجوي، إلا أنه لا يحل محل الحاجة إلى صمام أمان، إذا كانت ظروف المنشأة تتطلب ذلك. في الشكل 7.3.9، يقوم PRV بتعويض أي نقص في البخار المتأصل الذي تُنتجه المكثفات عالية الضغط (HP)، ويصفي صمام تصريف الضغط الزائد أي بخار متأصل زائد إلى مكثف أو إلى الغلاف جوي. يُحدَّد حجم صمام الأمان بناءً على السعة الكاملة لـ PRV مضافًا إليها سعة مصائد البخار وأي مصدر آخر يغذِّ� وعاء البخار المتأصل.