Компания Metso Automation рекомендует клапан, разработанный специально для этих целей – NELES ACE с двухскоростным ступенчатым электроприводом. Этот клапан должен иметь возможность выполнять следующие функции:

– отсутствие холостого перемещения и хода, чтобы обеспечить точное позиционирование;

– высокое разрешение (большое количество шагов регулирования);

– быстрый отклик на изменения в сигнале управления.

Если компенсация отклонений концентрации производится системой, базисный вес метра квадратного может реагировать на эти изменения, поскольку он делает это в соответствии с изменениями реальных значений. Изменения в расходе массы обычно появляются достаточно быстро и с короткой амплитудой. Если контур настроен на медленный отклик (постоянное время отклика) и сигнал управления на положение клапана становится медленнее, чем динамика потока и расхода, то вариации в расходе прямо проходят по всей линии, отражаются на полотне бумаги и должны определяться системой качества.

В добавление к обычным базисным свойствам бумаги (базовый вес, влажность) существует другие важные категории качества или сортность бумаги, такие как цветность, яркость, матовость и глянец. Эти свойства могут быть эффективно управляться при помощи соответствующих химикатов. Следующая таблица иллюстрирует различные добавки и их применения.

Табл. 2.1.1. Применяемые добавки

Добавки направляются в массу посредством регулирования расхода в клапанах. Они вводятся наиболее близко к напорному ящику, и их расход должен наиболее точно регулироваться. Например, если для удержания химикатов они добавляются сразу перед напорным ящиком, то любые отклонения в регулировании расхода вызовут очень быстрое изменение в содержании наполнителя (золе) на полотне.

Контур регулирования в напорном ящике управляет скоростью выхода из щели напорного ящика в соотношении со скоростью сетки. Разница между этими двумя скоростями минимальна и должна регулироваться с особой тщательностью. Регулирование обычно основано на контроллере давления и насосе с регулируемой скоростью. В старых напорных ящиках уровень массы внутри напорного ящика также управляется. Управляющий клапан выпускает воздух из воздушной подушки выше уровня. Несрабатывание клапана вызывает вариации в расходе (давлении в щели напорного ящика). Если выбирается клапан шарового типа, то рекомендуется использование позиционера ND. Рециркуляционный клапан поддерживает одинаковое давление на обоих сторонах коллектора напорного ящика. Клапан имеет тенденцию к кавитации т.к. он встречает повышенную разницу давлений из-за требуемого давления в напорном ящике на скоростных машинах и полный вакуум в деаэраторе. Здесь наиболее эффективно использовать версию Q-TRIM.

Из описания функций, выполняемых клапанами в сложных процессах производства качественных бумаг, которые мы обсуждали, ясно, что некоторые являются менее критичными, чем другие. Чрезмерные отклонения в процессе, вызывающие проблемы с качеством или производительностью, часто идут от плохой работоспособности клапана. Новое поколение "умных" позиционеров способно решать задачи снижения вариаций в процессе и включает новую цифровую технологию для получения оптимального контроля за потоком в наиболее важных узлах бумагоделательных машин.

ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

В технических решениях по оснащению клапанами производственных линий 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, недостатки монтажа, 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 точной и быстрой методике выбора компании разрабатывают методики расчета и выбора регулирующих клапанов, благодаря которым можно выбрать наилучший вариант клапана по точности регулирования и регулирующим свойствам для конкретных условий эксплуатации. Методика таких расчетов основана на графических кривых, расходной характеристике, коэффициенте усиления установленного клапана, которые можно рассчитывать и отображать при помощи соответствующих окон расчетных программ.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА. СОБСТВЕННАЯ ПРОПУСКНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Оптимальный выбор регулирующего клапана по размеру и типу начинается с внутренней пропускной характеристики клапана. В этом отношении пропускные характеристики клапанов должны тщательно измеряться в 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 2.1.7. представлены пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

Рис. 2.1.7. 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 – 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 внутренней кривой клапана. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан, установленный в технологическом трубопроводе, показан на рис 2. 1.8.

Рис. 2. 1.8. 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 по проекту. Коэффициенты Dpm можно рассчитать по формулам:

Dp_m=dp_m\dp_o (1)

и

Dp_i=dp_i\dp_o

Где dp_o – перепад давления при закрытом клапане.

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

На рис 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 Nelprof 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 установочной характеристике, рис. 2.1.9.

Рис. 2.1.9. Установочная характеристика для клапана Q-Ball для значительного перепада давления. Расчет по программе NELPROF.

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Достоинства установочной кривой 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. Усиления 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\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 внутренней характеристики регулирующего клапана для определенного технологического решения. Выбор клапана по его внутренней характеристике необходимо проводить так, чтобы его регулировочные способности сохранялись оптимальными и неизменными 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

DQr=Gdhr. (4)

Т.е. относительная степень погрешности по потоку есть усиление, умноженное на степень погрешности открытия клапана.

На рис. 2.1.10. представлена соответственно рис.2.1.9 кривая установочного усиления регулирующего клапана Q-ball. Из рис. 2.1.10 видно, что благодаря внутренней кривой клапана Q-ball достигается почти постоянное усиление в рабочем диапазоне регулирующего клапана. Кроме того, низкое усиление означает на практике прекрасную точность регулирования.

Рис. 2.1.10. Кривая установленного усиления регулирующего клапана Q-ball (компания Метсо)

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