蒸気熱交換器とトレース システム:設計エンジニアのベスト プラクティス

蒸気熱交換器とトレース システム:設計エンジニアのベスト プラクティス

Swagelok Field Engineering、Industrial Steam System SME、Alex Chu 氏

適切な蒸気熱交換器または蒸気ヒート トレース システムを設計するには、まずシステムが機能する動作特性を完全に理解する必要があります。不十分な性能は、設計技術者がすべての蒸気システムの特性を考慮していないことが最も一般的です。蒸気システムの操作パラメータと文書を徹底的にレビューする必要があります。アプリケーションのコンテキストを理解できないと、システム コンポーネントの制御や選択が不適切になることがよくあります。

一般的なデザインと製品選択の問題

産業用蒸気システムを設計する際には、早期の故障や性能不足を避けるために、基本的な基本事項を考慮する必要があります。 Swagelok の専門家は、さまざまな場所や業界で数多くの産業用熱伝達アプリケーションを調査し、最も一般的な問題は、不適切なコンポーネントの選択または不適切な取り付け方法が原因であることを発見しました。問題の例:

• 許容できない最終製品の品質
• コンポーネントの早期故障
• 温度管理が不十分
• 不十分な熱伝達
• ウォーターハンマー
• 伝熱装置の汚れ
• 規範および基準違反

蒸気システム設計のベスト プラクティス

いくつかの簡単なガイドラインと実証済みの現場技術に従うことで、産業用蒸気システムの設計に関連する一般的な問題を回避することができます。次の蒸気熱交換器とトレース コンポーネントを選択する前に、この記事全体に記載されている次のベスト プラクティスを確認し、施設の蒸気システムの設計、保守、および仕様プログラムに実装する必要があります。

1.蒸気供給凝縮水の蓄積とキャリーオーバーを排除

蒸気制御弁は、蒸気の流れを 0 ～ 100% に調整するように設計されています。低流量または無流量のシナリオでは、ドレンが制御バルブの入口の前に蓄積する可能性があります。バルブの前にドレンが溜まると、ウォーターハンマーが発生する可能性があります。さらに、蒸気制御弁を通過する凝縮液は、制御弁の早期故障を引き起こす可能性があります。

凝縮水の蓄積は、さまざまな方法で排除できます。バルブの前にドリップレッグを設置する、断熱を改善する、蒸気ラインを正しくグレーディングする、バルブの前に蒸気分離器を設置するなどの方法があります。これらの方法は、最初に凝縮を防止するか、スチーム トラップを使用して凝縮液を制御バルブから迂回させて排気することを可能にします。

2.コントロール バルブのターンダウン比のガイドラインに従う

伝熱コンポーネントには、効果的なプロセス温度制御とシート寿命のために、適切なサイズの制御バルブが必要です。制御バルブを選択する際の主な要因は、バルブのターンダウン能力、レンジアビリティ、または動作範囲です。

すべてのバルブには、特にシール公差と流れの直線性のために、バルブストロークの極端な範囲で、一定量の制御不能な流れがあります。

以下は、コントロール バルブのターンダウン比のガイドラインです。

• ケージ制御 =40:1 のターンダウン比により、最高の制御性が得られます。
• グローブ コントロール バルブ =ターンダウン比 30:1。
• 調整バルブ =20:1 ターンダウン比。

不適切なサイズのコントロール バルブを使用すると、プロセス温度の制御が不十分になり、バルブ シートが早期に摩耗し、過度の騒音が発生する可能性があります。

3.コントロールバルブの前後に圧力計を設置

圧力計は、システム内の状態を理解するために必要な情報を提供します。コントロール バルブの前後と、スチーム トラップの後のドレン戻り脚に圧力計を取り付けることをお勧めします。これにより、蒸気熱交換器を通過する蒸気の圧力特性を理解するのに役立つ正確なデータが得られます。さらに、すべての圧力計は、高温による損傷を防ぐためにコイル サイフォン (ピグテール) を取り付け、メンテナンスを可能にするためにダブル ブロック分離バルブを取り付ける必要があります。

4.真空ブレーカーを取り付ける

蒸気供給から隔離でき、大気に開放されていない蒸気システムには、真空ブレーカーを取り付ける必要があります。これには、蒸気ライン、ケトル、プレートまたはシェル アンド チューブ熱交換器などの機器が含まれます。蒸気が機器内で冷えると凝縮します。凝縮物は、気相にある場合と比較して、その質量の総体積の最大 1/1700 しか占めることができないため、真空が形成されます。

バキューム ブレーカーは、システムのシャットダウン時に真空の発生を防止することにより、蒸気システムを内破から保護します。一般に、すべての蒸気装置には、装置メーカーが指定したポイントに通気口と真空ブレーカーを取り付けることをお勧めします。

5.自動通気孔を取り付ける

シャットダウンおよびメンテナンス中に、蒸気システムに空気が入ります。システムを稼働状態に戻す前に、空気をパージする必要があります。蒸気熱交換器システム内に空気が存在すると、熱伝達にいくつかの悪影響があり、起動が遅くなる原因となることがよくあります。システム内の空気は、伝熱面に薄い境界層を形成し、断熱効果を生み出し、伝熱を妨げます。わずか 1/1000 インチの厚さの空気膜は、13 インチの銅または 3 インチの鋳鉄と同じ効果があります。

スチーム トラップはシステムの最下点にあり、高温の空気が最も高い点に溜まる傾向があるため、空気の排出に頼るべきではありません。自動通気孔は、蒸気システム内の空気を除去する最も効率的な方法の 1 つです。蒸気本管の端に取り付けられた通気口、または真空ブレーカーと組み合わせた機器の最高点に取り付けられた通気口は、空気が存在すると開きます。

6.伝熱装置内の背圧を避ける

蒸気システム用の伝熱装置を設計する場合、凝縮水の排出は重力または圧力差によって行われます。可能であれば、蒸気トラップの前後に垂直揚力のない重力排水を促進するために、伝熱装置を設置する必要があります。これは、調節蒸気制御弁を備えたあらゆるアプリケーションで重要です。一部のアプリケーションでは重力排水が許可されません。このような場合、スチーム トラップや制御弁などの凝縮装置に過度の背圧がかからないように注意する必要があります。ドレン装置に予期せぬ背圧がかかると、装置内に凝縮液が蓄積するため、早期の故障や性能上の問題が発生する可能性があります。これにより、ウォーターハンマー、不十分な温度制御、効率の低下、および腐食の問題が発生します。

7.過熱蒸気を防ぐ

典型的な蒸気加熱用途では、100% 品質の飽和蒸気供給が必要です。このレベルの品質は、蒸気内にドレンの飛沫が混入していない蒸気を指します。過熱蒸気、または飽和点よりも高い温度の蒸気が伝熱プロセスに入らないようにする必要があります。過熱蒸気は、飽和蒸気よりも単位体積あたりのエネルギーが少なく、元の蒸気システム設計で予期されていない場合、性能上の問題を引き起こす可能性があります。過熱蒸気供給は、減温器を設置することで調整できます。

8.ロックアウトボールバルブ

ボール バルブは、蒸気システムで漏れのない隔離を行うための、安全で信頼性が高く、費用対効果の高いソリューションを提供できます。ボール バルブは、ハンドルの向きによって分離状態をすばやく識別できます。 2 インチ以下のボール バルブはロック ハンドル付きで購入でき、ロックアウトまたはタグアウトの安全対策として最適です。蒸気システム内のロックアウトまたはタグアウト手順に関するサイトまたは地域の規制に準拠していることを確認するために、安全および検査部門に確認してください。

9.スチーム トラップの正しい選択とサイジング

スチーム トラップにはさまざまな機械設計があります。さまざまな設計がさまざまな用途に対応しており、信頼性が高いものもあります。蒸気熱交換器のアプリケーションでは、機械式のスチーム トラップが流れを調節するのに最適です。スチームヒートトレースでは、用途に応じてさまざまなタイプのスチームトラップを選択できます。

スチーム トラップの選択に関するその他の考慮事項は、最大および最小流量に基づくサイジング、プライミングの要件、空気抜き、機能テスト、および取り付けオプションです。スウェージロックでは、メンテナンスと交換を容易にするために、小型のスチーム トラップにはユニバーサル マウントを使用することをお勧めしています。

特別な装置を使用せずにスチーム トラップをテストできることは、特に閉ループ リターン システムでは有益です。これは、下流にバイパスを設置することで実現できるため、ドレン排出の目視チェックを簡単かつ迅速に行うことができます。

10.ストレーナを設置して異物混入を防止

汚染は、腐食とその副産物により、蒸気ラインで蔓延する可能性があります。汚染物質は、コントロール バルブ トリム、アイソレーション バルブ シート、およびスチーム トラップ シート内に留まり、これらのコンポーネントの早期故障または汚れの原因となります。ストレーナーはフィルターとして機能し、異物が蒸気システムに入るのを防ぎます。

ストレーナを取り付けるときは、必ずロックアウト機能付きのブローダウンバルブを取り付け、バルブからの排出を安全な場所に排出してください。ストレーナ本体内にドレンが溜まらないよう、必ずストレーナ部を水平にして設置してください。

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