Введение

Энергетика является одним из важнейших потребителей арматуры. В ней используется значительное количество жидких и газообразных сред. Высок уровень непрерывности процессов. Количество контуров, обслуживающих основное производство, включающих подачу пара, воды, различных химических реагентов и отвода побочных продуктов весьма значительно. Значительное число трубопроводных обвязок связывают процессы между собой. На них, как и на многих агрегатах установлена или может быть установлена поворотная арматура, поскольку во многих случаях она может иметь преимущество перед арматурой типа седельных вентилей и клиновых задвижек.

В энергетике задействовано множество сложных сред, обладающих высокой специфичностью. В частности, арматура должна работать на средах с высокими энергетическими параметрами (пар, масло и вода высокого давления); взрывоопасных (газы, кислород, водород); летучих или тяжелых (азот, аргон, ксенон); абразивных (доломит, известь); агрессивных (серная кислота, химикаты химводоподготовки) или специфичных (среды АЭС).

Многочисленные и сложные среды вместе с высокой непрерывностью процесса требуют высокого уровня автоматизации. Сама автоматизация наиболее эффективна в случае использования поворотной арматуры, способной воспринимать и реализовывать законы регулирования на основе оптимальных расходных характеристик и высокой пропускной способности. Такая арматура обязательно снабжается различными видами приводов, включая электрические, гидравлические и пневматические. Степень ее совершенства будет характеризоваться не только способностью выполнять управляющие сигналы системы автоматизации, но и иметь возможность производить собственную диагностику и предсказывать свое состояние, без чего уже во многих случаях невозможно провести плановую диагностику и назначить ТО.

В предлагаемом пособии рассматривается запорно-регулирующая арматура поворотного типа преимущественно с автоматическим управлением. Используются сложившиеся термины до принятия ГОСТ 24856-2014. С целью избежать избыточности в рисунках близких или одинаковых клапанов, дается ссылка на источник (3). В нем по кодировке можно получить исчерпывающую информацию о особенностях конструкции указанного типа клапана.

1. Условия применения арматуры

Применение поворотной арматуры зависит от применяемых сред. В качестве основных сред, где может быть широко применена поворотная арматура, можно выделить следующие:

Газы. Газопроводы, распределительные трубопроводы используемых газов (кислородопроводы, аргонопроводы, трубопроводы азота, трубопроводы водорода и водородсодержащих газов и т.п.)

Вакуум – дегазации, среднего и глубокого вакуума.

Жидкие среды – мазутопроводы, трубопроводы сернокислотные, маслопроводы и др.

Энергетические среды – пар, вода высокого давления, конденсат.

Характерным отличием использования поворотной арматуры является то, что она, в целом, как более «способная» к автоматизации, используется в технологических трубопроводах.

Арматура делится на запорную и регулирующую. Запорная арматура служит для отсечки потока и составляет до 80-95% всей арматуры. К ней относят запорные краны и заслонки отсечки потока, аварийной отсечки или вентилирования.

Наибольшая часть арматуры ТЭС и АЭС имеет небольшие диаметры, до 100-150мм. К ней относятся многочисленные типоразмеры арматуры вспомогательных систем, таких как пробно-спускная арматура, выпуска воздуха, дренажа и др. Главным способом ее совершенствования является нахождение способов ее унификации и снижения издержек при эксплуатации.

Регулирующая арматура служит для регулирования параметров тепловых схем. Типичными представителями ее являются клапаны регулирования расхода, давления, уровня.

Автоматическое управление. Автоматический привод необходим для обеспечения непрерывности процесса.

2. Проблемы перехода от арматуры возвратно-поступательного действия к поворотной арматуре

2.1. Запорная арматура

Еще в 70-х годах применение задвижек и вентилей было распространено значительно шире, чем поворотных заслонок (Прим. В настоящее время, их заменяют на термин "поворотные дисковые затворы") и шаровых кранов. Применение поворотных заслонок ограничивалось температурой не более 100^оС. Это было связано с применением преимущественно резиновых уплотнений, неотработанностью конструкций, отсутствием решений для потоков с повышенными параметрами, малой долей автоматизации и большой долей ручного труда, для которого характерны простые способы отсечки и регулирования потока.

Сегодня поворотные заслонки уже способны выдерживать температуры не менее 600^оС при давлениях свыше 400 Бар (заслонки компании MAPAG, отделение Metso Automation) с герметичностью, соответствующей классу 1 по ГОСТ 9744 в обоих направлениях. Вместо обычных резиновых прокладок используется широкий спектр мягких уплотнений, способных выдерживать температуры до 260^оС без потери герметичности. Металлические уплотнения дали возможность применять заслонки в условиях абразивных, сильно загрязненных сред, в т.ч. пара и воды, с повышенным содержанием соли.

Решение проблемы герметичности поворотных заслонок было осуществлено при переходе от безэксцентрикового исполнения, не гарантирующего достаточную герметичность, сначала к одноэксцентриковому уплотнению, и далее к двухэксцентриковому уплотнению, и, для наиболее сложных случаев – к трехэксцентриковому уплотнению. Последнее гарантирует герметичное уплотнение по VI классу. Их существенное достоинство по сравнению с применяемыми клиновыми задвижками состоит в минимальном весе и габаритах. Вес поворотных заслонок в 1,5 – 3 раза меньше по сравнению с задвижками. Малая строительная длина создает возможности для уменьшения общей протяженности трубопроводов и сокращения расходов на потребление насосами.

Можно выделить несколько основных направлений замены клиновых и шиберных задвижек поворотными заслонками:

1. В условиях, где критичны размеры, в частности, крупные диаметры трубопроводов. Начиная с условного прохода 400мм, строительная высота поворотной заслонки, включая привод, может быть в 1,5-5 раз меньше. В частности, для компактных трубопроводных обвязок и агрегатированных арматурных блоков более применимы малогабаритные поворотные заслонки.

2. В условиях, где требуется не только отсечка, но и регулирование. Поворотные заслонки обладают значительно более высокой способностью к регулированию по сравнению с задвижками.

3. В условиях, где важна сочетаемость с системами автоматизации и простота автоматизации. Равнопроцентная расходная характеристика поворотных заслонок позволяет значительно облегчить формирование алгоритма регулирования и привести характеристики к линейным. Поэтому поворотные заслонки значительно более просто автоматизируются.

4. В условиях, где критичен вес арматуры. В частности, это могут быть устройства, подверженные сильной вибрации, или работа которых зависит от уровня сейсмичности, а также в условиях, где требуется сертификация по сейсмостойкости, например, для крупных ТЭС и АЭС.

5. В условиях, где критична стоимость арматуры. В связи с тем, что стоимость металла в арматуре может достигать 70%, снижение веса является одним из главных способов общего снижения стоимости арматуры. В частности, значительный успех титановых поворотных заслонок при перекачке агрессивных сред, даже с наличием взвешенных частиц по сравнению с титановыми задвижками, связан с тем, что они имеют меньший вес и, соответственно, меньшую стоимость.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНЫХ ЗАСЛОНОК ВМЕСТО ЗАДВИЖЕК

Ниже показаны сводные характеристики преимуществ применения поворотных заслонок вместо задвижек, табл.2.1.

Табл. 2.1. Преимущества применения поворотных заслонок по сравнению с задвижками

ПРИМЕНИМОСТЬ ПОВОРОТНОЙ АРМАТУРЫ В ТЕПЛОВЫХ СХЕМАХ ТЭС и АЭС

Хотя тенденция к замене задвижек и вентилей, безусловно, прослеживается, однако, поворотная арматура не заменяет многие специализированные виды арматуры. В частности, это специализированная арматура, включая предохранительную, защитную, распределительную, смесительную и т.п.

Однако с ростом автоматизации будет заметен перевод ряда типов арматуры из простых регуляторов на принудительное регулирование. Оно происходит посредством выполнения команд управления, идущих от системы автоматизации, а не только от прямых регуляторов, осуществляющих саморегулирование процесса. Таким образом, например, уже начался перевод регуляторов прямого действия на горелочном оборудовании на применение регулирующих клапанов, как правило, поворотного типа, действующих не от настроенного на определенный параметр давления МИМ (Мембранного Исполнительного Механизма), а от команды системы управления.

В предохранительной арматуре выделяется подсегмент арматуры быстрого срабатывания (быстроотсечная арматура), где применение поворотных клапанов, в большей степени поворотных заслонок, было бы наиболее эффективно.

Развитие пассивных систем безопасности, как и систем активной защиты уже приводит к долговременной тенденции замены арматуры с электроприводом на пневмоприводную арматуру. Переход к поворотной арматуре от арматуры линейно-поступательного перемещения штока в этом случае обусловлен тем, что сама конструкция поворотной арматуры предполагает выполнение командного сигнала всего лишь при повороте на 1/4. Поворот всего на 1/4 полного оборота также создает возможности для применения простых предохранительных устройств на основе поворотных шаровых кранов и поворотных заслонок, срабатывающих от повышения температуры окружающей среды на основе простого действия пружины небольшого хода. Этого невозможно достичь при использовании задвижек, или приходится значительно усложнять приводную часть арматуры.

Далее, в соответствующих разделах, приводятся основные параметры замены арматуры, наиболее часто применяемой в энергетике на поворотную арматуру. Здесь и далее в качестве примеров применения поворотной арматуры будет приводиться арматура производства Metso Automation, хорошо знакомая автору.

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 D_р1 и D_p2, где нижними индексами определены условия потока, при которых клапан полностью открыт (f) или открыт для обеспечения максимальной величины потока (m) требуемой проектом. Коэффициенты D_pm можно рассчитать по формулам:

D_pm=d_pm\d_po (1)

D_pi=d_pi\d_po

Где d_po – 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 D_pm 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 dQ_p к изменению степени открытия dh.

G=dQ_p\dh (2)

Где Q_p – проходящая через клапан относительная величина потока (Q=q\q_m)

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.

DQ_r=Gdh_r. (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.