Πτώση πίεσης φυσικού αερίου: Αιτίες, μετρήσεις και αντιμετώπιση σε βιομηχανικά δίκτυα

Η πτώση πίεσης φυσικού αερίου αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα τροφοδοσίας σε βιομηχανικούς καυστήρες, λέβητες, ατμογεννήτριες και θερμικές εγκαταστάσεις.

Ένα σύστημα μπορεί να λειτουργεί κανονικά σε χαμηλή ισχύ, αλλά όταν αυξάνεται η ζήτηση να εμφανίζει ασταθή φλόγα, αδυναμία επίτευξης πλήρους φορτίου ή διακοπή λειτουργίας από τον πρεσοστάτη ελάχιστης πίεσης.

Το κρίσιμο ερώτημα δεν είναι απλώς εάν υπάρχει χαμηλή πίεση, αλλά σε ποιο σημείο του δικτύου εμφανίζεται η απώλεια και υπό ποιες συνθήκες λειτουργίας.

1. Τι είναι η πτώση πίεσης φυσικού αερίου;

Κατά τη ροή φυσικού αερίου μέσα σε σωληνώσεις και εξαρτήματα δημιουργούνται απώλειες πίεσης λόγω τριβών και τοπικών αντιστάσεων.

Για δύο σημεία μέτρησης στην ίδια εγκατάσταση, η διαφορά πίεσης μπορεί να εκφραστεί ως:

ΔP = P1 − P2

Όπου:

• P1: Πίεση στο πρώτο σημείο.

• P2: Πίεση στο δεύτερο σημείο.

• ΔP: Διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο σημείων.

Η σχέση αυτή περιγράφει τη μετρούμενη διαφορά πίεσης. Για ακριβή υδραυλική ανάλυση πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη οι συνθήκες ροής, οι υψομετρικές διαφορές και η συμπιεστότητα του αερίου.

Μια συγκεκριμένη πτώση πίεσης δεν σημαίνει απαραίτητα βλάβη. Κάθε σωστά σχεδιασμένο δίκτυο παρουσιάζει ορισμένες προβλεπόμενες απώλειες.

Το πρόβλημα εμφανίζεται όταν η πίεση που απομένει στον καταναλωτή είναι μικρότερη από την απαιτούμενη.

2. Γιατί αυξάνεται η πτώση πίεσης όταν αυξάνεται η παροχή;

Όταν ένας καυστήρας αυξάνει την ισχύ του, απαιτεί μεγαλύτερη ποσότητα φυσικού αερίου.

Η αύξηση της παροχής επηρεάζει την ταχύτητα ροής και τις απώλειες πίεσης στα διάφορα στοιχεία του δικτύου.

Σε πολλές πρακτικές περιπτώσεις, οι απώλειες αυξάνονται έντονα με την παροχή, αλλά η ακριβής σχέση εξαρτάται από τις συνθήκες και το είδος του εξαρτήματος.

Για τον λόγο αυτό, ένα δίκτυο μπορεί να παρουσιάζει ικανοποιητική πίεση με τον καυστήρα σε αναμονή, αλλά ανεπαρκή πίεση όταν λειτουργεί στη μέγιστη ισχύ.

3. Στατική πίεση και πίεση υπό φορτίο

Η στατική πίεση μετράται όταν δεν υπάρχει ουσιαστική κατανάλωση αερίου.

Η πίεση υπό φορτίο μετράται όταν ο καυστήρας ή οι υπόλοιποι καταναλωτές λειτουργούν.

Η διάκριση είναι καθοριστική για τη διάγνωση.

Ενδεικτικό παράδειγμα:

• Πίεση χωρίς κατανάλωση: 100 mbar.

• Πίεση σε χαμηλό φορτίο: 92 mbar.

• Πίεση σε υψηλό φορτίο: 65 mbar.

Οι τιμές είναι υποθετικές. Δεν μπορούν από μόνες τους να χαρακτηριστούν αποδεκτές ή μη χωρίς να γνωρίζουμε τις προδιαγραφές της εγκατάστασης.

Η μεγάλη μεταβολή υπό φορτίο αποτελεί λόγο διερεύνησης της ικανότητας τροφοδοσίας.

4. Οι συχνότερες αιτίες πτώσης πίεσης

Ανεπαρκής πίεση από το δίκτυο τροφοδοσίας

Η διαθέσιμη πίεση στην είσοδο της εγκατάστασης μπορεί να είναι μικρότερη από την απαιτούμενη κατά τις περιόδους υψηλής ζήτησης.

Υποδιαστασιολογημένες σωληνώσεις

Μικρή εσωτερική διάμετρος, μεγάλο μήκος και πολλές τοπικές αντιστάσεις μπορούν να αυξήσουν τις απώλειες πίεσης.

Ρυπασμένο φίλτρο φυσικού αερίου

Η συσσώρευση σωματιδίων στο φίλτρο μπορεί να αυξήσει τη διαφορική πίεση μεταξύ εισόδου και εξόδου του.

Ακατάλληλος ή ανεπαρκής ρυθμιστής πίεσης

Ένας ρυθμιστής μπορεί να μην καλύπτει την απαιτούμενη παροχή υπό τις διαθέσιμες συνθήκες πίεσης εισόδου.

Περιορισμός σε βαλβίδες ή εξαρτήματα

Μια ακατάλληλη βαλβίδα, μια μη πλήρως ανοικτή χειροκίνητη βάνα ή άλλο στοιχείο μπορεί να δημιουργεί πρόσθετη αντίσταση.

Ταυτόχρονη λειτουργία πολλών καταναλωτών

Η συνολική ζήτηση μπορεί να υπερβαίνει την πραγματική ικανότητα τροφοδοσίας της εγκατάστασης.

5. Πώς επηρεάζει ένα βουλωμένο φίλτρο την πίεση;

Το φίλτρο φυσικού αερίου συγκρατεί σωματίδια και προστατεύει εξαρτήματα που βρίσκονται κατάντη.

Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση ρύπων, μπορεί να αυξάνεται η αντίσταση στη ροή.

Η διαφορική πίεση του φίλτρου ορίζεται ως:

ΔPφίλτρου = Pπριν − Pμετά

Για παράδειγμα, εάν υπό γνωστή παροχή μετρηθούν 180 mbar πριν από το φίλτρο και 165 mbar μετά από αυτό, η διαφορά είναι 15 mbar.

Η αξιολόγηση αυτής της τιμής πρέπει να γίνει σε σχέση με την παροχή και τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.

Δεν υπάρχει μία ενιαία επιτρεπόμενη πτώση πίεσης για όλα τα φίλτρα.

6. Πώς επηρεάζει ο ρυθμιστής πίεσης;

Ο ρυθμιστής έχει ως σκοπό να παρέχει κατάλληλη πίεση εξόδου παρά τις μεταβολές της ζήτησης και της πίεσης εισόδου, εντός των ορίων σχεδιασμού του.

Εάν η πίεση εισόδου μειωθεί υπερβολικά ή η απαιτούμενη παροχή ξεπεράσει τις δυνατότητές του, η πίεση εξόδου μπορεί να μην διατηρείται στο επιθυμητό επίπεδο.

Πρέπει να διακρίνουμε τη φυσιολογική συμπεριφορά pressure droop από μια πραγματική δυσλειτουργία.

Η αξιολόγηση γίνεται με βάση τις καμπύλες απόδοσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου ρυθμιστή.

7. Πού πρέπει να μετράται η πίεση;

Σε ένα βιομηχανικό δίκτυο, χρήσιμα σημεία αξιολόγησης μπορεί να είναι:

1. Στην είσοδο της εγκατάστασης.

2. Πριν και μετά το φίλτρο.

3. Πριν και μετά τον ρυθμιστή πίεσης.

4. Στην είσοδο του Gas Train.

5. Στο προβλεπόμενο σημείο ελέγχου πίεσης του καυστήρα.

Τα ακριβή σημεία εξαρτώνται από τη διάταξη και τα διαθέσιμα εγκεκριμένα σημεία μέτρησης.

Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται αποκλειστικά από εξουσιοδοτημένο τεχνικό προσωπικό, με κατάλληλα όργανα και ασφαλείς διαδικασίες.

8. Γιατί είναι σημαντικές οι ταυτόχρονες μετρήσεις;

Μία μεμονωμένη ένδειξη πίεσης δεν αποκαλύπτει πάντα την αιτία ενός προβλήματος.

Για παράδειγμα, εάν μειώνονται ταυτόχρονα τόσο η πίεση εισόδου όσο και η πίεση εξόδου του ρυθμιστή, η αιτία μπορεί να βρίσκεται πριν από αυτόν.

Εάν η πίεση εισόδου παραμένει ικανοποιητική αλλά η πίεση εξόδου μειώνεται υπερβολικά, πρέπει να διερευνηθεί η λειτουργία και η ικανότητα παροχής του ρυθμιστή, μαζί με τις κατάντη συνθήκες.

Η καταγραφή πίεσης και φορτίου την ίδια χρονική στιγμή προσφέρει σημαντικά περισσότερες πληροφορίες.

9. Πτώση πίεσης στο Gas Train

Το Gas Train μπορεί να περιλαμβάνει φίλτρα, ρυθμιστές, διακόπτες πίεσης, βαλβίδες ασφαλείας και άλλα εξαρτήματα, ανάλογα με τον σχεδιασμό.

Κάθε στοιχείο παρουσιάζει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ροής.

Οι αυτόματες βαλβίδες ασφαλείας, για παράδειγμα, έχουν απώλειες πίεσης που εξαρτώνται από την παροχή και τα χαρακτηριστικά του μοντέλου.

Δεν πρέπει να θεωρούμε ότι όλα τα Gas Train έχουν την ίδια επιτρεπόμενη παροχή επειδή διαθέτουν την ίδια ονομαστική διάμετρο σύνδεσης.

10. Τι συμβαίνει όταν η πίεση πέφτει κάτω από το όριο του καυστήρα;

Εάν η πίεση μειωθεί κάτω από το προβλεπόμενο όριο, μπορεί να ενεργοποιηθεί ο πρεσοστάτης ελάχιστης πίεσης ή άλλη προστασία.

Ανάλογα με τον καυστήρα και τη λογική ελέγχου, μπορεί να προκύψει:

• Αναστολή εκκίνησης.

• Ελεγχόμενη διακοπή.

• Προστατευτικό κλείδωμα (lockout).

• Αδυναμία λειτουργίας σε υψηλή ισχύ.

Η ακριβής συμπεριφορά καθορίζεται από τον κατασκευαστή και το σύστημα διαχείρισης καύσης.

Η επαναλαμβανόμενη επαναφορά ενός καυστήρα χωρίς διερεύνηση της αιτίας δεν αποτελεί αποδεκτή αντιμετώπιση.

11. Πίνακας διάγνωσης προβλημάτων

Ο πίνακας περιγράφει πιθανές αιτίες και όχι οριστικές διαγνώσεις.

12. Παράδειγμα βιομηχανικής εγκατάστασης με δύο καυστήρες

Ας εξετάσουμε μια υποθετική εγκατάσταση με δύο καυστήρες.

Ο πρώτος καταναλώνει 100 Nm³/h και ο δεύτερος 80 Nm³/h στη μέγιστη ισχύ.

Όταν λειτουργεί μόνο ο πρώτος, το δίκτυο μπορεί να διατηρεί ικανοποιητική πίεση.

Όταν ξεκινήσει και ο δεύτερος, η συνολική ζήτηση μπορεί να φτάσει τα 180 Nm³/h.

Εάν η πίεση μειώνεται σημαντικά μόνο σε αυτή την κατάσταση, πρέπει να αξιολογηθεί η επάρκεια του κοινού τμήματος τροφοδοσίας, του ρυθμιστή και των υπόλοιπων εξαρτημάτων.

Η παρατήρηση δεν αποδεικνύει από μόνη της ότι απαιτείται μεγαλύτερη σωλήνωση.

13. Πώς βοηθά το SCADA;

Σε εγκαταστάσεις με κατάλληλη οργανολογία, ένα SCADA μπορεί να καταγράφει:

• Πίεση εισόδου.

• Πίεση μετά τον ρυθμιστή.

• Παροχή φυσικού αερίου.

• Κατάσταση λειτουργίας καυστήρων.

• Ποσοστό φορτίου.

• Ενεργοποιήσεις προστασιών.

Η ταυτόχρονη απεικόνιση των παραμέτρων βοηθά στον εντοπισμό συσχετίσεων.

Για παράδειγμα, μια πτώση πίεσης που εμφανίζεται κάθε φορά που ενεργοποιείται ένας δεύτερος καταναλωτής μπορεί να κατευθύνει τη διερεύνηση προς την κοινή τροφοδοσία.

14. Γιατί δεν αυξάνουμε απλώς τη ρύθμιση πίεσης;

Η αυθαίρετη αύξηση της πίεσης εξόδου ενός ρυθμιστή δεν αποτελεί σωστή λύση σε ένα πρόβλημα ανεπαρκούς παροχής.

Μπορεί να δημιουργήσει μη αποδεκτές συνθήκες λειτουργίας σε κατάντη εξοπλισμό ή να επηρεάσει τις ρυθμίσεις προστασίας.

Η σωστή αντιμετώπιση απαιτεί πρώτα προσδιορισμό της αιτίας και έλεγχο των ορίων σχεδιασμού.

Οποιαδήποτε μεταβολή ρύθμισης πραγματοποιείται μόνο από αρμόδιο προσωπικό σύμφωνα με τις εγκεκριμένες διαδικασίες.

15. Πότε απαιτείται επαναδιαστασιολόγηση;

Η επαναξιολόγηση του δικτύου μπορεί να απαιτείται όταν:

• Προστίθενται νέοι καυστήρες.

• Αυξάνεται η εγκατεστημένη ισχύς.

• Αλλάζουν οι συνθήκες τροφοδοσίας.

• Τροποποιούνται οι σωληνώσεις.

• Εμφανίζονται επαναλαμβανόμενες πτώσεις πίεσης στο μέγιστο φορτίο.

• Η συνολική ζήτηση ξεπερνά τις αρχικές παραδοχές σχεδιασμού.

Η μελέτη πρέπει να εξετάζει την πλήρη διαδρομή από την πηγή τροφοδοσίας έως τον δυσμενέστερο καταναλωτή.

16. Πρόληψη προβλημάτων πίεσης

Η αξιόπιστη λειτουργία βασίζεται σε:

• Κατάλληλη αρχική διαστασιολόγηση.

• Σωστή επιλογή ρυθμιστών και φίλτρων.

• Προβλεπόμενη επιθεώρηση και συντήρηση.

• Κατάλληλη παρακολούθηση πίεσης.

• Καταγραφή προβλημάτων υπό φορτίο.

• Έλεγχο της επίδρασης νέων καταναλωτών.

• Τήρηση των προδιαγραφών κατασκευαστών και των εφαρμοστέων κανονισμών.

17. Σχετικά τεχνικά πρότυπα

Ανάλογα με την εγκατάσταση, σχετικά πρότυπα περιλαμβάνουν:

• EN 15001-1: Απαιτήσεις σχεδιασμού και κατασκευής εγκαταστάσεων αερίου εντός του πεδίου εφαρμογής του.

• EN 1775: Σωληνώσεις αερίου σε κτίρια.

• EN 334: Ρυθμιστές πίεσης αερίου.

• EN 676: Καυστήρες εξαναγκασμένου ελκυσμού για αέρια καύσιμα.

• EN 14382: Διατάξεις ασφαλούς διακοπής αερίου.

Η εφαρμογή κάθε προτύπου εξαρτάται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά και το κανονιστικό πλαίσιο της εγκατάστασης.

Συμπέρασμα

Η πτώση πίεσης φυσικού αερίου δεν είναι πάντοτε ένδειξη βλάβης. Αποτελεί φυσικό χαρακτηριστικό της ροής μέσα σε σωληνώσεις και εξαρτήματα.

Το ουσιαστικό πρόβλημα εμφανίζεται όταν οι απώλειες είναι μεγαλύτερες από τις προβλεπόμενες ή όταν η διαθέσιμη πίεση στον καυστήρα δεν επαρκεί για την ασφαλή λειτουργία του.

Η αποτελεσματική διάγνωση βασίζεται σε μετρήσεις σε περισσότερα από ένα σημεία, σε καταγραφή της πραγματικής παροχής και σε σύγκριση με τις προδιαγραφές του εξοπλισμού.

Η διερεύνηση, η συντήρηση και οι επεμβάσεις σε εγκαταστάσεις φυσικού αερίου πραγματοποιούνται από εξουσιοδοτημένους επαγγελματίες.