Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»

2.2. Регулирующая арматура

СРАВНЕНИЕ ПОВОРОТНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

В энергетике широкое применение находит регулирующая арматура. До сегодняшнего дня в качестве регулирующей арматуры наиболее широко используют регулирующие вентили и задвижки. Значительную часть контуров регулирования обслуживают регуляторы давления прямого действия. В системах энергетики регулирующие клапаны обслуживают различные контуры, где регулируемым параметром выступают расход, температура, давление, концентрация и т.п.

ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

В технических решениях по оснащению клапанами необходимо стремиться к минимальной колебательности процесса и отсутствию отклонений от оптимального диапазона регулирования клапана. Причины высокой колебательности регулирующих контуров могут быть разные – и неправильный расчет и выбор клапана, и недостатки монтажа, и плохая настройка клапана и позиционера, помехи и чрезмерные отклонения в процессе. Дороговизна колебательности заключается в потере продукции, внеплановых остановах, снижении эффективности процесса и высоком взаимовлиянии сопряженных контуров.

Выбор регулирующих клапанов долгое время основывался на различных приблизительных оценочных методах и имеющемся опыте. Для восполнения недостатка в точном и быстром выборе разрабатываются методики расчета и выбора регулирующих клапанов. Благодаря этим методикам можно выбрать наилучший вариант клапана по точности регулирования и регулирующим свойствам для конкретных условий эксплуатации. Методика расчета основана на графиках, расходной характеристике и коэффициенте усиления установленного клапана.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА

СОБСТВЕННАЯ ПРОПУСКНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Оптимальный выбор регулирующего клапана по размеру и типу начинается с собственной пропускной характеристики клапана. В этом отношении пропускные характеристики клапанов тщательно измеряются в различных испытательных лабораториях.

Характеристики клапана замеряются в условиях, когда перепад давления постоянен. В этом случае величина потока, проходящего через клапан «q» пропорциональна его коэффициенту пропускной способности Сv. Так как коэффициент пропускной способности клапана выражает со своей стороны эффективную величину поперечного сечения потока, то по характеристике клапана можно видеть, что эффективность поперечного сечения потока меняется в функциональной зависимости от степени открытия «h» клапана.

На рис.2.1. представлены пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

Рис. 2.1. Пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

1,2,3,4, – разные условия работы клапана

РАСХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

На практике регулирующий клапан – это часть технологического трубопровода. Перепад давления в зоне открытия клапана редко постоянен, т.к. при росте величины потока вследствие динамических потерь давление потока на входе клапана падает, а на выходе увеличивается. Поэтому зависимость величины потока q от степени открытия клапана h (вид установочной характеристики) есть функция, как технологического трубопровода, так и собственной пропускной характеристики клапана. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан, установленный в технологическом трубопроводе, показан на рис.2.2.

Рис. 2.2. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан

Природу технологического трубопровода описывают характеризующие коэффициенты Dр1 и Dp2, где нижними индексами определены условия потока, при которых клапан полностью открыт (f) или открыт для обеспечения максимальной величины потока (m) требуемой проектом. Коэффициенты Dpm можно рассчитать по формулам:

Dpm=dpm\dpo (1)

Dpi=dpi\dpo

Где dpo – перепад давления при закрытом клапане.

Тип технологического процесса можно рассчитать, когда известны, по меньшей мере, два различных условия потока, или известны описывающие природу трубопровода коэффициент Dpm и условия максимальной величины потока.

На рис 2.3. представлена рассчитанная по программе установочная характеристика для клапана Q –ball для одного технического решения, требующего понижения давления. В данном решении применен шаровой клапан Q-ball с верхним входом, сечение трубопровода 100 мм. По программе можно также рассчитать скорость потока на выходе и уровень шума в зоне действия регулирующего клапана в целом. Особенность использованного в данном случае решения Q- ball – чрезвычайно широкий диапазон регулирования, что выражается в очень хорошей расходной характеристике.

Рис. 2.3. Установочная характеристика для клапана Q-Ball производства Metso Automation для значительного перепада давления. Расчет по программе NELPROF

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Достоинства расходной характеристики клапана в отношении возможностей и точности регулирования можно определить при помощи кривой усиления. Кривая усиления клапана описывает изменение углового коэффициента установочной характеристики в зависимости от степени открытия клапана. Усиление установленного клапана есть отношение изменения величины потока dQp к изменению степени открытия dh.

G=dQp\dh (2)

Где Qp – проходящая через клапан относительная величина потока (Q=q\qm)

По формуле 2 можно определить изменение величины потока. Изменение величины потока есть усиление, умноженное на изменение степени открытия клапана.

Усиление установленного клапана – отправной момент при выборе оптимального размера и собственной пропускной характеристики регулирующего клапана для определенного технологического решения. Выбор клапана по его внутренней характеристике необходимо проводить так, чтобы его регулировочная способность сохранялась оптимальной и неизменной независимо от изменения нагрузки в рабочем диапазоне. На практике разные участки в области регулирования стараются сделать линейными в рабочем диапазоне технологического процесса. Тогда и усиление установленного клапана будет наиболее вероятно постоянным в рабочем диапазоне технологического процесса.

Для относительного усиления установленного клапана действительно правило, согласно которому в диапазоне регулирования усиление должно быть не более 0,5, а его изменение может быть лишь немногим более 2. Если установочное усиление не отвечает названным условиям, необходимо вместе с изготовителем тщательно исследовать динамику регулирующей способности во всем диапазоне регулирования. Если усиление данного клапана слишком низкое, высокое или оно сильно колеблется в рабочем диапазоне технологического процесса, это, как правило, доставляет трудности в отношении регулирующих устройств. С другой стороны, слишком высокое усиление клапана затрудняет точность регулирования, так как для степени погрешности в величине потока клапана действительна формула: относительная степень погрешности по потоку есть усиление, умноженное на степень погрешности открытия клапана.

DQr=Gdhr. (4)

На рис. 2.4. представлена соответственно рис. 3 кривая усиления регулирующего клапана Q-ball. Из рис. 2.4 видно, что, благодаря собственной пропускной характеристике клапана Q-ball достигается почти постоянное усиление в рабочем диапазоне регулирующего клапана. Кроме того, низкое усиление означает на практике прекрасную точность регулирования.

Рис. 2.4. Кривая усиления регулирующего клапана Q-ball

Таким образом, понимая особенности процесса при протекании рабочих сред через клапан и характеристики регулирования, уже на первоначальном этапе можно добиться оптимального выбора клапана с высокими характеристиками, и, соответственно, его более высокой эффективности в работе.

Для регулирующих клапанов наиболее часто основой закона регулирования являются расчеты расхода по падению энергии. При этом основные решения основаны на расчете дросселирующего эффекта. В то же время современные подходы предполагают переход на расчеты по пропускной способности регулирующего органа. Это позволяет в значительной степени улучшить качество регулирования. Однако это предопределило и существенно более расчетный, предсказательный характер определения расходных характеристик потока. Расчетный и алгоритмический характер рассматриваемых характеристик способствовал более легкой автоматизации процесса. Таким образом, несмотря на значительно более непосредственный и простой характер расчета по эффекту дросселирования и разработки алгоритма регулирования по изменению в потерях энергии, более сложные расчетные показатели через расчет параметров расходных характеристик и пропускной способности заняли свое место в системах регулирования. Основой этой замены стало повышение качества регулирования и требование большей информативности процесса, учета множества дополнительных характеристик. Переход к информационно-измерительным системам с включением в него клапана становится более отчетливым.

Регулирующие вентили, как правило, используются на линиях с ручным управлением со стабилизированным, установившимся режимом работы. Для выполнения командного сигнала вентили часто приходится делать двухседельными, что снижает стабильность регулирования.

Качество регулирования до настоящего времени определяют по классу точности. На отечественных предприятиях используют классы точности 2,5; 4,0; 6,0, см. табл.2.2.

Табл. 2.2. Классы точности регулирующих клапанов

В существующих стандартах класс точности регулирующих клапанов с позиционером должен быть не ниже 2,5. Чтобы проконтролировать соответствие хода регулирующего клапана, определяется значение основной погрешности, порога чувствительности и вариации хода штока. Эти параметры оцениваются по ходовой характеристике регулирующего клапана на полностью собранном и отрегулированном изделии при незаполненном средой корпусе и сальнике, обеспечивающем герметичность подвижного соединения штока при условном давлении Ру. Сигнал при этом проверяется с точностью +– 0,4% от максимального значения, перемещение – с точностью +-0,5% от номинального хода штока.

Основная погрешность регулирующего клапана определяется следующим образом. На входной штуцер мембранно-исполнительного механизма (МИМ) подают управляющий воздух под определенным давлением. Диапазон изменения управляющего давления разбивают на 8-10 равных частей и при каждом его значении фиксируют положение штока. Испытание проводят при прямом и обратном ходе; для каждого значения управляющего давления находят приведенный ход, после чего определяют разность действительного и приведенного ходов.

Основную погрешность определяют как отношение, выраженное в процентах, наибольшей разности действительного и приведенного хода к номинальному ходу штока.

Δ=(Sд – Sп)\Sн) х100%

Порог чувствительности определяют при значении управляющего давления, равном 20, 50 и 80% от его полного диапазона. При испытании давление плавно увеличивают до установленного значения, фиксируют его и затем плавно повышают управляющее давление до заметного трогания штока регулирующего клапана. Новое значение управляющего давления фиксируют, а затем определяют разность зафиксированных значений. Испытание повторяют при плавном уменьшении управляющего давления и определяют новую разность зафиксированных значений. Порог чувствительности определяется как отношение, выраженное в процентах изменения управляющего давления, вызывающего заметное трогание штока к диапазону управляющего давления.

При каждом значении управляющего давления находят разность между действительными значениями прямого и обратного ходов штока (вариации хода штока называют гистерезисом). Вариацию определяют как отношение, выраженное в процентах, наибольшей разности между значениями прямого и обратного ходов штока при одном и том же значении управляющего давления к номинальному ходу.

Наибольшее распространение среди регулирующих клапанов с линейным движением штока занимают регулирующие двухседельные вентили. Допустимый порог чувствительности таких клапанов составляет не более 3Па. Пропускная характеристика может быть как линейная, так и равнопроцентная. Заменяемость двухседельных клапанов на поворотные шаровые регулирующие клапаны приведена ниже, табл. 2.3.

Табл. 2.3. Заменяемость двухседельных вентилей на поворотные шаровые краны компании Метсо

* Окончательная возможность замены определяется расчетом.

** Возможность замены угловых клапанов зависит от расчетного перепада давлений.

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

Чтобы обеспечить точность выполнения командного сигнала с минимальной погрешностью, клапан должен быть спозиционирован. Для этого служит позиционер. Основной проблемой регулирования без применения позиционеров было значительное рассогласование хода штока по отношению к управляющему сигналу.

Позиционер представляет собой устройство, предназначенное для управления перемещением штока строго пропорционально командному давлению путем использования обратной связи по положению штока. Общим принципом работы позиционеров является компенсация усилия в чувствительном элементе позиционера. При этом исключается влияние сил трения, неуравновешенности штока и плунжера, и сводится к минимуму рассогласование между командным давлением и действительным ходом плунжера. Если этого не проводить, то рассогласование может достичь 30%, что характерно для регулирующих вентилей с мембранным исполнительным механизмом. Пневматические позиционеры позволяют уменьшить рассогласование до 1,5 -2%, снижают запаздывание регулирующих клапанов, поскольку их объем во много раз меньше мембранной камеры МИМ. Основная система управления при этом пневматическая. Каналы пневмосетей также являются в значительной степени инерционными.

Для повышения качества связи между позиционером и системой автоматического управления, начиная с 60-х годов, широко использовались системы управления, основанные на передаче электрического командного сигнала. В электропневматических позиционерах, работающих на аналоговом принципе, электрическое реле переводит пневматический сигнал в электрический. Этим значительно повышается точность позиционирования. Следующей ступенью стали позиционеры, работающие по протоколу HART, переводящие аналоговый сигнал в цифровой. При этом качество сигнала и помехоустойчивость сетей в значительной степени повысилась. После освоения протоколов HART, в последнее время появились цифровые позиционеры, работающие по исключительно цифровым протоколам, таким как Profibus, FFBи др. Их основой является непосредственное преобразование сигналов от сенсоров в цифровой сигнал.

Сам позиционер стал насыщаться сенсорами, поскольку цифровой канал связи обеспечил большие возможности для реализации, как алгоритмов регулирования, так и собственной диагностики.

Интересно отметить, что промежуточной формой внедрения позиционеров и большего перехода к цифровым системам стали цифровые позиционеры, устанавливаемые на регулирующих вентилях с линейным ходом штока и мембранным исполнительным механизмом. В дальнейшем, после освоения цифрового позиционера оптимальным станет замена регулирующих вентилей с линейным перемещением штока на поворотные регулирующие клапаны. Для вентилей и задвижек с Ду более 100мм требуются специальные рычажные передачи с большим количеством механических звеньев, обязательна ступенчатая регулировка передаточного отношения, поскольку, только благодаря этому, выходное звено арматуры с линейным ходом штока получает увеличенный ход. Из-за значительного нарастания погрешностей в связи с множеством механических передаточных звеньев, длинного хода штока переход на регулирующие поворотные клапаны с позиционерами оптимально производить с указанного диаметра.

РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОВОРОТНЫЕ ЗАСЛОНКИ

Регулирующие заслонки находят применение вплоть до давлений 6,4МПа, Ду 400мм и предназначаются для регулирования расхода пара. Ранее они применялись при температуре не более 425оС. Их работоспособность в прошлом также ограничивалась перепадом давлений на рабочем органе и составляла не более 0,025МПа. В настоящее время при использовании заслонок с эксцентриковым смещением удается значительно повышать допустимый перепад давлений.

ЗАМЕНА РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ

Регуляторы давления – это автоматическая арматура с линейным движением штока, с чувствительным элементом, которым выступает резиновая мембрана. Формирование силового воздействия осуществляется нагружением грузом или пружиной. Действие регулятора происходит за счет использования энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу. При изменении давления на участке трубопровода, настроенная пружина отрабатывает степень открытия регулирующего органа регулятора до тех пор, пока не восстановится исходная величина давления.

Для регуляторов используются в основном только тарельчатые двухседельные клапаны с мембранным рычажно-грузовым приводом. Этим обусловливается то, что ход штока будет незначителен. Расчетная длина хода составляет не более 0,15 диаметра отверстия в седле клапана.

Проблемой использования мембранных приводов является то, что они одновременно являются и приводом, и чувствительным элементом. Поэтому их применение возможно только для малых диаметров арматуры, где погрешность движения привода близка к погрешности чувствительного элемента. Применение формованной мембраны большого диаметра нецелесообразно, поскольку такая мембрана является элементом повышенной чувствительности, и при малых изменениях давления будет приводить к резким перемещениям штока с большой амплитудой и ударам плунжера о седло. Для решения проблемы применяют малую плоскую мембрану. Однако она создает менее чувствительную систему за счет повышения жесткости. Достигаемая характеристика в большей степени может быть приближена только к пропорциональной. Однако это происходит за счет повышения неравномерности величины отрегулированного давления. Таким образом, применение прямых регуляторов для трубопроводов крупного диаметра ограничено.

Точность работы регулятора давления характеризуется степенью неравномерности, определяемой отклонением действительной величины отрегулированного давления в процентах от номинальной настроенной. Несовпадение этих величин вызывается тем, что с повышением расхода повышается отрегулированное давление в зависимости от жесткости мембраны и пружины привода. На точность работы регулирующего клапана и регулятора давления оказывает влияние и порог чувствительности, определяемый минимальной величиной изменения давления, необходимой для того, чтобы плунжер изменил свое направление на обратное. Замена регуляторов на регулирующие клапаны для целей повышения точности и управляемости режимом работы контура регулирования является актуальной задачей.

Задачами, которые могут решить регулирующие клапаны при установке взамен регуляторов, могут быть: уменьшение степени неравномерности действий (для регуляторов они составляют до 20% даже для Ду 50-80мм) при пороге чувствительности 0,03-0,05МПа, повышение точности регулирования, быстродействия, снижение запаздывания.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ АРМАТУРА

В энергетике существует ряд контуров, где при нарушении нормального хода технологического процесса требуется быстро отключить подачу среды. Основной проблемой является необходимость выполнения жестких требований, как правило, нормируемых надзорными организациями по скорости закрытия – открытия затвора. В частности, для многих узлов быстрой и аварийной отсечки нормируются значения времени открытия-закрытия от 0,5 до 1-2 сек. К ним относятся, например, клапаны быстрой отсечки турбин, байпаса, антипомпажа, защиты в горелочном оборудовании, участки аварийной отсечки и вентилирования.

В состав защитной арматуры могут входить поворотные отсечные клапаны. Ими являются, как правило, поворотные заслонки с пневмо и электроприводом. Они успешно заменяют собой отсечные клапаны с линейным движением штока с мембранным исполнительным механизмом. Основной причиной является значительно меньший ход штока при повороте, по сравнению со значительной длиной хода штока при закрытии, например, при помощи задвижки или вентиля.

2.3. Критерии выбора арматуры

ТОЧНОСТЬ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ

К сожалению, до сих пор задача обоснования точности контуров недостаточно освещена в литературе и проработана. В связи с этим в предлагаемом материале делается попытка показать связь между точностью регулирующего клапана, точностью контура и накоплением погрешности в процессе эксплуатации. При этом необходимо учитывать взаимосвязь между контурами, научиться просчитывать накопление ошибок регулирования и возможность их снижения уже на этапе проектирования. Специалисты до сих пор не умеют считать заданные погрешности по контурам с точностью, требуемой по технологическому процессу.

Таким образом, при поставке оборудования, в проектные решения закладываются исходные данные по оборудованию без просчета возможностей повышения точности процесса. Сам процесс на этапе проектирования, как правило, не оптимизируется по критерию снижения погрешности регулирования. В то же время, такие расчеты позволили бы уже на этапе проектирования выявить критические контуры регулирования и дать по ним более эффективные решения с повышением стабильности, точности и качества технологического процесса.

В типичном контуре (объект управления – сенсор – логический элемент (задатчик)– исполнительный механизм – регулирующий орган (клапан)) главным источником погрешности по определению является регулирующий клапан. Это становится очевидным при рассмотрении степени задаваемой погрешности датчиками при сравнении со степенью отработки сигнала регулирующим клапаном. И действительно, по здравому смыслу, точность «инструмента» (датчика или сенсора) должна быть всегда выше точности «обрабатываемого изделия» (в нашем случае регулирующего клапана).

В этих материалах мы попытаемся обосновать необходимость проведения таких расчетов и оптимизации, как уже действующего производства, так и при проектировании.

ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

Обычно, когда метрологи и технологи говорят о процессе, то подчеркивается важность экспериментального опробования, плотных испытаний, накопления статистических данных по результатам первичной эксплуатации. Это важно потому, что при переходных условиях или, пока еще процесс не стабилизировался и не вышел на режим, то говорить о возможности оптимизации не приходится. Для разрешения ситуации говорят о возможных погрешностях на основе прошлого опыта. Например, по опыту выделяют критические контуры регулирования и оценивают их с точки зрения вероятности изменения и замены регулирующих органов на более точные. Для энергетики проблема осложняется еще и тем, что сами контуры регулирования по критерию критичности могут быть не только связаны с качеством выходных характеристик, но и с поддержанием множества вспомогательных, дополнительных или косвенных характеристик. Также должны учитываться показатели надежности, долговечности и долговременной точности регулирования, которую по-другому можно назвать метрологической надежностью. Регулирующие клапаны, обладая рядом метрологических характеристик, таких как статическое и динамическое отклонение, мертвая зона и др., должны рассчитываться на точность регулирования в регулирующем контуре.