Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры»

1.6. Установленное усиление как критерий настройки регулирующей арматуры

Для того чтобы получить хорошее и стабильное качество регулирования во всём диапазоне требуемого расхода, необходимо использовать регулирующую арматуру, которая имеет линейную расходную характеристику, или таковую как можно ближе к линейной в большинстве систем. Это известно. Часто сложно сравнить качество регулирования двух клапанов с менее идеальными расходными характеристиками, просто изучая графики их расходных характеристик, но можно узнать больше о том, насколько хорошо они будут управлять конкретной системой, если изучить их установленное усиление (прим. в профессиональной литературе в РФ – коэффициент усиления).

Установленное усиление

График слева на рисунках 1.23 и 1.24 представляет собой предположительную расходную характеристику регулирующей арматуры, а график справа – соответствующее установленное усиление. Усиление устройства определяется как отношение изменения производительности (расхода) на соответствующее изменение пропускной способности. В случае регулирующей арматуры, производительность – это расход в системе (q), а потребляемая мощность – ход клапана (h) таким образом, его установленное усиление определяется как:

Усиление = Δq / Δh.

Графическая интерпретация установленного усиления – это наклон установленной характеристики расхода, а математическая интерпретация установленного усиления есть первая производная от характеристики установленного расхода.

Рис. 1.23. Установленная пропускная характеристика и установленное

усиление трех регулирующих клапанов

Рис. 1.24. Установленная пропускная характеристика и установленное усиление равнопроцентного клапана, установленного в системе со значительным количеством труб и / или других устройств, работающих под давлением.

Зеленая линия на графике слева на рисунке 1.23. представляет собой характеристику идеального линейного установленного расхода, где идеальная линейная установленная характеристика – это прямая линия, и изменения относительного хода клапана (Δh) влияют на равные изменения относительного расхода (Δq). На рисунке изменение положения клапана на 1% вызывает изменение расхода на 1 %. Поскольку наклон зеленой линии постоянен, то установленное усиление этого клапана также будет постоянным, и так как изменение положения на 1% вызывает изменение относительного расхода на 1 %, его установленное усиление будет равно 1, (усиление = 1% / 1% = 1,0). Так же, как зеленая линия на графике установленной характеристики представляет собой идеальную линейную установленную пропускную характеристику, зеленая линия на графике установленного усиления с постоянным значением 1,0 представляет идеальный установленный коэффициент усиления.

Невозможно получить точную идеальную установленную характеристику и установленное усиление, потому что:

1) реальные клапаны не имеют точный линейный или равный процент действительной пропускной характеристики;

2) взаимодействие между равным процентом действительной характеристики и характеристики системы не сокращают друг друга.

Тем не менее, каждый расчетчик стремится приблизиться к указанным показателям насколько это возможно. Вот почему идеальная линейная установленная характеристика и постоянное установленное усиление, равное 1,0, являются эталоном.

На рисунке 1.23 есть два других клапана с прямой линией пропускной характеристики. У одного очень крутой наклон, а у другой небольшой. Клапан с синим графиком, у которого установленная расходная характеристика имеет крутой наклон, очень чувствителен. Его график установленного усиления имеет постоянное, но большое значение.

Клапан с красным графиком, у которого установленная расходная характеристика имеет небольшой наклон, не очень чувствителен. (На рисунке показана только часть клапана, которая нас интересует). Его усиление изображено на графике в виде константы, но имеет небольшое значение.

Ни один из этих клапанов не будет хорошей регулирующей арматурой. Клапан с низким усилением не будет хорошей регулирующей арматурой, потому что, когда шток клапана движется, расход почти не меняется. Регулирующая арматура, которая, когда она движется, не изменяет расход, не такая уж и регулирующая. Клапан с крутым наклоном имеет очень высокий коэффициент усиления, и, следовательно, небольшие изменения в положении клапана вызывают очень большие изменения в расходе. Это менее очевидно, почему этот клапан не будет хорошей регулирующей арматурой. Когда две части (такие как шар и седло или ось клапана и сальник) соприкасаются друг с другом, они проявляют два вида трения. Когда части не двигаются, они, как правило, держатся вместе и трение высокое. Когда они движутся, трение становится намного ниже. Взаимодействие между статическим и динамическим трением затрудняет позиционирование клапана именно там, где он должен быть. Из определения усиления, изменение расхода равно произведению изменения положения на установленное усиление (Δq =Δh* Усиление). Если клапан с высоким усилением (установленное усиление которого равно 4) может позиционироваться только в 1%-ном приращении, наиболее точно этот расход можно было бы контролировать в 4%-ном приращении, которое может быть недостаточно точным.

Поняв значения установленного усиления, и то, как можно применить это понятие к равнопроцентному клапану в системе с большим количеством труб (и /или другие элементы, потребляющие давление), где установленная характеристика почти линейная, но слегка S-образная, как показано на левом графике рисунка 2? Пунктирные линии представляют предположительную идеальную линейную установленную характеристику и результирующий идеальный установленный коэффициент усиления с постоянным значением равному 1,0. Здесь форма графика установленной характеристики постоянно меняется, также как и ее наклон. Рассмотрим мгновенный наклон и, следовательно, установленное усиление в нескольких точках.

В точке 1 проведена касательная к установленной расходной характеристике, для представления мгновенного наклона установленной расходной характеристики (и, следовательно, установленное усиление) в точке 1. Эта касательная не такая крутая, как идеальная линейная установленная характеристика и, следовательно, усиление меньше идеального, равного 1,0. Точка была помещена на график установленного усиления (точка 1), который меньше идеального усиления равного 1,0.

В точке 2, если изобразить касательную к графику установленной характеристики, то она была бы параллельна идеальному линейному графику. Это означает, что в точке 2 мгновенное усиление составляет 1,0, а соответствующая точка 2 находится на графике установленного усиления при усилении 1,0. Если продолжить изображать касательные линии в точках 3, 4 и 5, то соответствующие точки 3, 4 и 5 на графике установленного усиления будут достигнуты.

Как правило, установленная характеристика и график установленного усиления равнопроцентного клапана в системах с большим количеством труб (и / или других элементов, потребляющая давление), что является наиболее распространенным случаем, будет иметь формы, аналогичные тем, что на рисунке 2, но не обязательно симметричные, как показано на рисунке.

Установленное усиление. Рекомендации

Ниже приведены рекомендации и правила, которые ПО подбора и выбора регулирующей арматуры Metso – Nelprof использует для определения подходящего размера и выбора клапана) для повышения усиления и ее вариации.

В пределах указанного диапазона урегулирования:

1. Усиление>0,5

2. Усиление<3.0

3. Усиление (max) / Усиление (min) <2.0

4. По возможности постоянное

5. По возможности близкое к 1,0

В пределах указанного диапазона регулирования (по определению, система не будет регулировать за пределами этого диапазона, поэтому не важно, что там происходит), то есть между минимальной и максимальной требуемой пропускной способностью, усиление не должно быть меньше 0,5 или больше чем 3,0. Важно помнить, что определение усиления – это изменение расхода, равное изменению положения клапана, умноженное на коэффициент усиления (Δq =Δh * Усиление). Если усиление слишком низкое, когда клапан движется, расход вряд ли изменится. Это означает, что клапан будет неэффективным в управлении расходом. Если усиление слишком велико, небольшие ошибки в положении клапана приведут к большим ошибкам в расходе, тем самым затрудняя или делая невозможным точное регулирование.

Как правило, если усиление изменяется не более, чем в соотношении 2 к 1, можно было бы подобрать один набор параметров настроек ПИД регулятора, и в результате получим хороший контроль и стабильность на протяжении всего диапазона необходимого расхода. Как только изменение усиления в пределах указанного диапазона расхода станет больше, будет сложнее настроить систему для стабильного и хорошего регулирования.

При выборе лучшего клапана из нескольких, которые отвечают первым трём критериям, следует рассмотреть критерии 4 и 5. Коэффициент усиления должен быть постоянным, насколько это возможно. Чем более постоянно усиление, тем более интенсивные настройки ПИД-регулятора могут быть использованы без опасности нестабильности. Усиление должно быть так же близко к 1, насколько это возможно. Обычно, при сравнении установленного усиления различных клапанов для того же применения, поскольку усиление становится более постоянным, он также приближается к 1.

Выбор лучшего клапана на основании установленного усиления

Существует программа определения размера регулирующего клапана, которая основана на базе данных действительных характеристик реальных клапанов, наряду с некоторой предоставленной пользователю информацией о том, как изменяется перепад давления в системе с расходом. Эта программа может рассчитать и построить график установленной характеристики расхода конкретного типа и размера клапана в конкретной системе. Далее программа рассчитывает первую производную от установленной пропускной характеристики и строит ее график установленного усиления. Для того чтобы программа определила модель процесса, как минимум две точки расхода (максимум и минимум требуемого расхода), требуются вместе с указанными значениями указать давление перед регулирующим клапаном P1 и перепад давления на регулирующем клапане ΔP.

Используя это программное обеспечение, можно показать, как анализ установленного усиления может помочь выбрать лучшую регулирующую арматуру для конкретной системы. Демонстрация основывается на системе, показанной на рисунке 1.25. График на рисунке 1.25 показывает, как P1, P2 и ΔP изменяются в зависимости от расхода как по образцу программного обеспечения. Целью является выбрать клапан, чьё установленное усиление выполнит лучшую работу, отвечая рекомендациям выше. Для этого примера такие вещи, как предельный расход, шум и скорость не влияют на выбор, позволяя сосредоточиться на установленном усилении.

Рис. 1.25. Пример выбора лучшего клапана для управления конкретной системой

На рисунке 1.26 показана установленная пропускная характеристика двух клапанов, рассматриваемых для применения: 6-дюймовый сегментный шаровой кран и 3-дюймовый сегментный шаровой кран. Акцент был сделан на части графиков установленного расхода, которые находятся в указанном диапазоне расхода от 80 до 550 галл./ в мин. Так как сегментный шаровой клапан имеет собственную равнопроцентную пропускную способность, и, так как в системе, где падение давления на клапане уменьшается с увеличением расхода, не удивительно что установленная пропускная характеристика почти линейна (особенно внутри указанного диапазона расхода). Этот сгенерированный компьютером график показывает, насколько линейны установленные характеристики и насколько большой запас прочности на каждом конце требуемого диапазона расхода.

Тем не менее, так как вертикальная шкала упорядочена так, чтобы показать фактический расход, делённый на полностью открытый расход для каждого клапана, при сравнении нескольких клапанов для одного и того же применения, можно не заметить различий в величине наклона на графике и, следовательно, чувствительность к изменениям в положении клапана.

Рис. 1.26 Установленные пропускные характеристики 6 и 3- дюймовых сегментных шаровых кранов в системе, указанной на рисунке 1.25.

Если данные на рисунке 1.26 были нанесены на GPM шкале (галлоны в мин.), а не на расходе, делённом на полностью открытый расход, они будут выглядеть как на рисунке 1.27, где относительная величина наклона разных клапанов хорошо видна. Программа использует график, как на рисунке 5, где усиление рассчитано исходя из максимально необходимого расхода, qmax, то есть усиление = Δ (q / qmax) / Δh.

Обратите внимание, что этот график по шкале GPM не виден пользователю.

Рис. 1.27. Установленная пропускная характеристика клапанов из рис. 1.26

отображает истинные отношения между ее полностью открытой пропускной способностью и чувствительность к изменениям хода клапана

На рисунке 1.28 показано установленное усиление тех же двух клапанов.

Рис. 1.28. Установленное усиление 6 и 3 дюймовых сегментных шаровых кранов в системе из рис. 1.25.

Акцент также был сделан на части графика, которые находятся в указанном диапазоне расхода от 80 до 550 галлонов в мин. Проанализировав два графика, сразу ясно, что 3-дюймовый клапан – лучший вариант, так как он отвечает всем вышеперечисленным рекомендациям по установленному усилению, а 6-дюймовый клапан – нет. 6-дюймовый клапан имеет максимальное усиление около 3,5. Это означает, что в этот момент положение клапана с отклонением на 1% может вызвать ошибку расхода в 3,5%. Напротив, аналогичное положение 3-дюймового сегментного клапана с отклонением на 1% приведет к ошибке расхода в 2%. Изменение в усилении в пределах указанного диапазона расхода составляет около 2 к 1 для обоих клапанов. Усиление 3-дюймового клапана явно ближе к 1, чем 6-дюймового клапана. Если бы был проанализирован 4-дюймовый клапан, было бы установлено, что он лучше, чем 6-дюймовый клапан, но не так хорош, как 3-дюймовый клапан. Обратите внимание, что на графике усиления 1,0 на оси q / qmax будет всегда максимально необходимым расходом.

Примечание: программа не может отображать результаты для двух клапанов одновременно. Приведенные выше графики были получены путем объединения результатов двух графиков в один. При использовании программы подбора размеров, можно быстро пошагово просматривать графики для каждого из нескольких клапанов для удобства сравнения.

Модуль 2. Требования к проведению рсчетов и выбору регулирующей арматуры

2.1. Надежный расчет арматуры и критерии проведения расчетов

Если вам нужно рассчитать большое количество арматуры в одном проекте, то проблемы для всех участников будут высоки. Нехватка времени, задержки в передаче данных возникают всякий раз, когда происходит обмен информацией. Оперативные данные, которые подвергаются регулярным изменениям, плохая связь между заинтересованными сторонами проекта – все это создает немалый риск того, что будут допущены ошибки при выборе арматуры. В худшем случае результатом могут быть задержки на этапе ввода проекта в эксплуатацию или незапланированные простои, которые нарушают производство. Последующие затраты на неправильно подобранную арматуру могут легко возрасти в шесть или семь раз. Однако большинство потенциальных проблем может быть заранее обнаружено и устранено путем проведения непрерывного и всестороннего контроля с использованием подходящих программных средств.

Хотя предыстория каждого проекта весьма специфична, тем не менее есть несколько областей, которые можно обобщить. Типичный проект имеет, по крайней мере, три заинтересованных стороны, это: персонал предприятия, EPC контрактор и поставщик арматуры. Практически никогда не бывает, чтобы портфель одного производителя арматуры включал решения для удовлетворения всех требований.

Главная проблема здесь заключается в том, как быстро и надежно определить те 90-95% клапанов, которые должны удовлетворять только нормальным техническим требованиям, и могут быть оценены на основе общих критериев, таких как тип\вид арматуры, номинальный диаметр, значения пропускной способности Сv и соответствие бюджету. После решения этой задачи оставшееся время должно быть использовано для рассмотрения критических случаев, в которых особенности процесса регулирования могут иметь важное значение для качества управления технологическим процессом.

В результате неправильного выбора арматуры вскоре стоимость одного клапана в эксплуатации может возрасти в десять или двадцать раз. Это не редкость в проектах, когда на 5% от общей спецификации клапанов приходится до 40% стоимости от всех регулирующих клапанов. Кроме того, по большому счету, справедливый процент таких клапанов еще, как правило, не определен достаточно точно, чтобы иметь возможность указать бюджетную цену. Тем не менее, требование немедленного перерасчета и выбора оптимального решения все-таки являются критичными и для этих сложных участков регулирования, и получение недостающей информации является обязательным в виду сжатых сроков проектов.

Как только производители арматуры получают контракт (обычно по фиксированной стоимости), все начинается сначала – каждый клапан должен быть рассчитан заново, на этот раз детально. Ситуация часто может кардинально измениться на этом этапе, поскольку, как правило, данные процесса являются лишь предварительными на момент запроса котировок и вполне могут не стать окончательными до тех пор, пока проект не будет фактически введен в эксплуатацию. Поправки к первоначальной спецификации также являются обычным делом на протяжении всего проекта.

EPC контрактор – этот "нервный центр" проекта – играет центральную роль в процессе инжиниринга и реализации проекта. EPC контракторы должны быть в состоянии проверить решение путем сравнения характеристик рассчитанных и выбранных клапанов для нескольких своих технологических отделов. Еще раз необходимость и способность определить критические клапаны будет весьма актуальной, потому что эти специальные клапаны будут иметь более длинные сроки поставки по сравнению со стандартными клапанами из-за специальных расходных характеристик, особенностей настройки позиционеров, специальных материалов и пр. Поэтому они всегда должны находиться в верхней части списка дел проекта.

Представители предприятия или заказчика (клиенты, которые ведут проект) очень хорошо осведомлены об этих проблемах. Они пытаются выявить потенциальные проблемы на раннем этапе с помощью различных механизмов контроля, чтобы можно было принять соответствующие меры. Однако их успех часто ограничен из-за нехватки ресурсов. Как правило, это всего один инженер на весь проект, который имеет время только для проверки случайных выборок. К тому же он, как правило, отвечает не только за клапаны, а также не имеет адекватных программных средств.

Хотя более чем обычной реакцией является то, когда просто утверждают: “это так, ведь это проект", но в то же время это не является ответом. Проблемные области должны быть как можно скорее однозначно определены, а также найдены рациональные и работоспособные на практике решения по их устранению.

Одной из конкретных проблем, от решения которой зависит многое другое, является обмен информацией. Любой, кто наивно полагает, что, в конце концов, EPC контракторы работают с САЕ системами, или, что спецификации клапанов стандартизированы по IEC или ISA – и, возможно, даже цитируют такие стандарты, как PROLIST, NE-100, eClass, IEC 61360 и ISO 13584, почти наверняка никогда не имел с этим реальных дел.

Дело в том, что "электронный обмен данными" часто оказывается сканированием листов спецификаций, которые были изменены для целей конкретного проекта, и теперь должны быть введены "вручную". При этом частота ошибок достигает от 5 до 10%, что характерно, когда такого рода задачи должны быть завершены под давлением срока представления предложения. При необходимости процесс повторяется снова и снова, каждый раз, когда данные пересматриваются.

На втором этапе клапаны должны быть рассчитаны в соответствии с последними стандартами, и подходящая номенклатура от соответствующих производителей затем указывается в спецификации. То, что на практике означает "подходящий", должно быть определено с использованием четко определенных критериев качества регулирования по требуемым задачам регулирования, а также эталона рисков потери надежности регулирования. То же самое относится и к тем случаям, когда расчет клапанов проверяется EPC контрактором или инженером предприятия, ответственным за контроль качества.

Как результат нашего рассмотрения, можно сказать, что высокоскоростной, но безошибочный обмен данными между участниками проекта имеет первостепенное значение.

Если, таким образом, процесс разбивается на две основные задачи: "высокоскоростной обмен данными" и объективная, сопоставимая оценка надежности решения по выбору арматуры, то можно разработать прагматический подход, с помощью которого другие проблемы, такие как временное давление и стопроцентный контроль качества (а не просто случайные выборки), могут быть более эффективно решены.

Что касается формата данных, то можно с уверенностью предположить, что все заинтересованные стороны знакомы с Excel и что они способны создавать и считывать данные и обновления данных в формате Excel. Формат обычно определяется EPC контрактором (технологом или инженером процесса (process engineer)), который создает исходные данные процесса для компьютерной оболочки, используемой в запросе котировок; постоянные обновления также поступают из этого же источника. Все, что здесь имеет значение, – это то, что соглашение будет достигнуто, по крайней мере, в согласованном формате на протяжении всей жизни проекта. Независимо от того, как он выглядит, он должен содержать всю информацию, необходимую для расчета.

Когда дело доходит до независимого от поставщика проведения расчета, выбора и оценки решений для клапанов, необходимо использовать соответствующие независимые программы. Такие программы есть. Например, таким инструментом может быть программное обеспечение выбора арматуры для проектов CONVAL от компании F.I.R.S.T Gmbh. Она не только позволяет рассчитать арматуру от любого изготовителя, она также включает индекс надежности "Ri", который позволяет оценить потенциальные проблемы с выбранными клапанами для данного процесса. В дополнение к анализу причин, программное обеспечение также предоставляет рекомендации по их устранению.

Конечно, не каждый производитель клапанов использует подобные программы. В частности, лидеры рынка арматуры почти всегда разрабатывали собственные программные средства для расчета собственных клапанов. Однако большинство этих инструментов также поддерживают обмен данными с Excel.

Заключительная задача состоит в том, чтобы согласовать все эти аспекты друг с другом – массивные данные из Excel от EPC контрактора или производителя клапанов, с одной стороны, и расчеты и анализ надежности – с другой.

Как упоминалось ранее, структуры данных почти никогда не оказываются абсолютно идентичными, даже если все доступно в Excel (Рис.2.1).

Рис. 2.1. Окно исходного материала проекта

Для того чтобы гарантировать здесь сопрягаемость данных, компании разрабатывают специализированные программные инструменты – адаптеры. Они позволяют обрабатывать, читать и сопрягать данные по клапанам с разнородными структурами.

После того, как эта информация была сопоставлена со структурой технологических данных EPC контрактора, предварительный анализ может быть произведен в течение нескольких минут. Затем необходимо рассмотреть различные вопросы: