2.4. Программа "Арматура для критических узлов и контуров регулирования"

ПРОГРАММА "РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРОВ И УЧАСТКОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ"

1.      Критические контуры регулирования. Определение.

Критический контур регулирования – это контур, в котором небольшое изменение входных параметров приводит к недопустимо большому колебанию выходных параметров, которые не могут с достаточной степенью точности и в допустимых пределах устранены контуром регулирования, в основном из-за недостаточной точности регулирующего органа и исполнительных механизмов. Примеры. Наиболее часто – это контуры концентрации и разбавления, однако могут быть и другие контуры. Так, например, сгущение представляет собой с точки зрения контуров регулирования сложную динамическую взаимосвязь нескольких качественно различных контуров. Но в результате сгущения технологически могут быть утеряно качество массы, достигнутое на предыдущих ступенях технологического процесса, например, фракционированной массы. Это равносильно тому, как если все слить в один бак. Для получения того же качества среды после такого сгущения придется практически заново проводить регулирование.

2.      Классификация критических контуров регулирования

2.1.      по выполняемой функции

2.1.1.      Контуры регулирования концентрации. Контуры регулирования концентрации являются, наверное, наиболее главными контурами в технологических процессах ЦБП. С приближением к напорному ящику, степень точности отработки заданий системы автоматизации должна повышаться. Вершиной является клапан веса м², который должен обеспечивать максимальную точность регулирования.

2.1.2.      Контуры разбавления. С контурами регулирования концентрации тесно связаны контуры разбавления, которые зачастую являются составной частью контура регулирования концентрации. Если входящим параметром является также масса с очень низкой концентрацией, то такой клапан разбавления будет иметь значительно более высокий уровень критичности по сравнению с обычным из-за резкого (неадекватного) роста расхода при минимальных изменениях концентрации. Часто контуры разбавления являются чисто технологическими, например, после сгустительных бассейнов, промывателей, но, в то же время, степень их важности и критичности будет определяться степенью воздействия на показатели концентрации.

2.1.3.      Контуры поддержания расхода и давления. Эти контуры в максимальной степени связаны с параметрами самого клапана, поскольку сам современный принцип регулирования поворотными клапанами основан на взаимосвязи расхода и давления. В наибольшей степени их роль проявляется там, где необходимо поддерживать точные дифференциалы давления. Эти контуры характерны для напорных сортировок, вихревых очистителей, насосов и других элементов, где дифференциал давления на входе и выходе, а также степень сложности взаимосвязи между ними является одним из важнейших технологических параметров.

2.1.4.      Контуры поддержания технологических параметров (температуры, рН, уровня и др.). Эти контуры являются важными для той части технологического процесса, где он в наибольшей степени зависит от них. Так, уровень в технологических емкостях может повлиять на весь процесс в целом, т.к. при резком его изменении они задают пульсацию давления по всей технологической цепочке и такую пульсацию трудно будет устранить самыми совершенными средствами регулирования. Известны случаи, когда резкий отбор воды для разбавления из технологической емкости, работающей, как на контур разбавления клапана веса м², так и на другие ветки технологического оборудования приводил к неустранимым колебаниям веса м². Контроль уровня может быть наиболее важен для контуров регулирования в гидроразбивателе, поскольку от него зависит, как степень концентрации массы уже на начальном этапе, так и скорость и эффективность разволокнения массы. Контуры регулирования температуры являются важными с точки зрения регулирования технологического процесса, зачастую являются частью более сложного контура регулирования. Так, при регулировании сушки, температура является непрямым параметром, и регулирование осуществляется за счет физической зависимости давления пара и его температуры или расхода. В контурах регулирования массы контур температуры в основном связан с контуром расхода или давления, обеспечивающими выполнение установленного сигнала по температуре.

2.2.      по сложности технологического процесса. Конкретное формирование контуров регулирования связано с особенностью вписывания в технологический процесс. Условно можно разделить основной процесс бумагоделательного производства на массоподготовительное отделение и бумагоделательное производство.

2.2.1.      Массоподготовительное отделение. В нем выделяется размольное отделение. Так, в узле доразбавления массы до требуемой концентрации перед размолом необходимо более точно, чем обычно, выдерживать требуемые значения концентрации и расхода. В противном случае, регулирование размола становится неустойчивым.

2.2.2.      Узел подготовки и облагораживания массы. Учитывая, значительное потребление макулатуры внедрение узлов сортировки и очистки является свершившимся фактом. Для устойчивой и эффективной работы сортировки требуется точное выдерживание концентрации, разницы давлений и расхода. Дополнительно появляются специальные контуры регулирования выведения отходов, подачи химикатов (при флотации) или подготовки и подачи воздуха (также при флотации).

2.2.3.       Напорный ящик. Напорный ящик следует выделить отдельно. Он является последним и самым важным технологическим элементом, после которого регулирование массы как таковой уже становится невозможно. Одним из важных критических контуров регулирования в нем является узел деаэрации, из-за возможности вскипания или вспенивания массы и ухудшения качества подготовленной массы в целом. Там должен использоваться специальный клапан с элементом Q-TRIM. Не менее важным является и узел машинной сортировки, технологически связанный с напорным ящиком. В нем все элементы, соприкасающиеся с массой должны в минимальной степени способствовать образованию узелков, сгустков, схватыванию фибрилл и др. Для этих целей используется специальная поворотная заслонка с полированной поверхностью. Как видно, не все контуры должны обладать высокой точностью. Приведенный пример показывает, что и сам клапан должен претерпевать значительные изменения для соответствия своей роли в технологическом процессе.

2.2.4.       Контур регулирования веса м². Без сомнения этот контур является ведущим и наиболее критическим контуром регулирования в бумагоделательном производстве. Он обладает наиболее совершенным клапаном, с минимальным гистерезисом, мертвой зоной, минимальными люфтами, собственной диагностикой и, в итоге, наиболее высокой точностью регулирования. Этот узел и дальше будет развиваться, специализируясь в основном только на повышении точности регулирования, повышении степени откликаемости, чтобы снимать и такие сложные виды отклонений как динамические, включая и пульсации.

2.2.5.      Узел осветленной воды. Пример многих фабрик показывает, что при низких концентрациях воды даже небольшие отклонения приводят к значительной колебательности расхода. В качестве примера можно привести опыт канадской фабрики, где сначала на этом узле стоял клапан с погрешностью регулирования 0,8%. И это было бы нормально для обычного контура регулирования, но только не для узла осветленной воды. При таком значении погрешности изменения в расходе осветленной воды, возвращаемой на напорный ящик, была чрезвычайно высока и качественно регулировать вес м² не удавалось из-за резких изменений параметров и непредсказуемой колебательности. Решением стало снижение погрешности до 0,3%. В результате отклонения в сопряженных контурах не выходили за пределы допуска технологического регламента. В него были внесены соответствующие изменения, установленное значение для этого контура регулирования составило менее 0,3%, что обеспечило хорошую и стабильную управляемость процесса.

2.2.6.      Пароконденсатная система. В досушивающей секции разница в колебательности давления составляет до 15-30 кПа, наиболее характерных в ЦБП, при этом разбег температур на полотне может составлять до 10⁰С. Точные клапаны смогут снизить этот разбег до 2 кПа, а разницу температур свести к минимуму. Результатом будут наиболее низкие значения разбега влажности, более высокое качество полотна, минимальные обрывы по причине переувлажненности, отсутствие коробления, лучшая наматываемость, стабильность реза на ПРС и пр. Другим примером является следующий. При подаче пара с конденсатом, который может достигать до 5% в паре, из-за падения давления в несовершенных клапанах может происходить вскипание пара из конденсата. Из-за значительной разницы в объеме между паром и водой, которая в сотни раз превышает плотность и объем воды, регулировать расход и давление пара – основные параметры регулирования температуры сушки, становится затруднительно. В конденсатных системах контуры, ответственные за перекачку и поддержание расхода и давления характеристик конденсата также являются важными, поскольку пар вторичного вскипания, образующийся в конденсатных системах из–за вскипания, резко меняет характеристики расхода и показатели регулирования.

2.3.      По взаимосвязанности и влиянию контуров. Примеры. Главный паровой клапан. «Танцующие сопряженные контура».

2.4.      По надежности. Надежность выполнения требований технологии часто становятся основным критерием к работе контуров и узлов регулирования. На опасных участках технологического процесса требования к надежности еще более повышаются и, соответственно транслируются и в трубопроводную арматуру. Такие показатели соблюдения уровня промышленной безопасности как SIL, MTBF, предъявляемые к регулирующим клапанам и клапанам с автоматическим управлением должны гарантировать, что процесс не выйдет из под контроля и будет безопасным. Расчет вероятности отказов для таких клапанов становится наиболее важным критерием для их включения в соответствующий контур управления. Примерами таких контуров являются:

– участки повышенной пульсации, гидравлических ударов;

– участки вероятной кавитации и эрозии и вибрации. В частности, преимущественной тенденцией развития арматуры для таких контуров является включение в спецификации клапанов повышенной компактности, низкой виброактивности для участков с повышенной вибрацией. В ряде случаев их рассчитывают на сейсмостойкость.

2.5.      По специализированности контура. Примеры специализированных контуров показаны ниже:

– шаровая крышка,

– керамический клапан для подачи химикатов,

– клапаны для условий высокой цикличности,

– специальные клапаны для специальных сред,

– клапаны повышенной жесткости для условий высокой пульсации после насосов,

– клапан POCKET FEEDER для вывода отходов из грязевиков вихревых очистителей песочниц.

Для определения степени критичности контура проводятся расчеты по специальным методикам. Такие методики разрабатываются в ВШТЭ.

Компании предлагают свои часто неэффективные решения для таких контуров. В ответ на это заказчики требуют пилотной эксплуатации, по результатам которой только и готовы принять решение о приобретении. ЭОднако, при хорошем знании референцев эксплуатации можно сказать, что в ЦБП сложилась устойивая тенденция выбора наиболее эффективных решений для клапанов и арматуры. К таким решениям можно отнести выбор сегментных клапанов, цифровых позиционеров. мембранных приводов, антикавитационных элементов Q-TRIM, полевых шин PROFIBUS и FOUNDATION FIELD BUS.

Экономическая эффективность от применения специальных решений для критических контуров регулирования

Достижение экономической эффективности и умение считать экономическую эффективность является одной из важных проблем при доказательстве правоты решений по установке эффективных клапанов. Однако, существуют доказанные пример, показывающие как совершенная арматура позволяет улучшить качество регулирования в критических контурах. Примеры компании Метсо автоматизация приведены ниже.

1. Клапан веса м². Достигается значительное повышение качества регулирования при использовании клапана регулирования веса м² NELES ACE.

2. Узел осветленной воды. Замена обычного клапана на клапан подачи осветленной воды на разбавление на сегментный клапан способно снизить разброс с 0,8% до 0,3%.

3. Пароконденсатная система. Замена седельных клапанов на поворотные типа NELES ROTARY GLOBE улучшает выполнение условий точности регулирования по критичной для регулирования двухфазной среде.

4. Узел дозирования химикатов. Замена аналоговых позиционеров на цифровые и керамические клапаны для абразивных сред узла подачи химикатов и подготовки композиции снижает погрешность регулирования до 40-60% и сокращает затраты на сырье в суммах, выражаемых пятизначными цифрами.

5. Узлы циркуляционных схем. Основная проблема циркуляционных схем связана с их "отравлением" и загрязнениями. Примеры: гипсация, накопление отходов, налипание и др. Здесь эффективны клапаны с шабрирующими седлами и специальными посадками седел.

Перспективы использования клапанов в критических контурах регулирования

Основным вектором развития клапанов для критических контуров регулирования является разделение направления регулирования на клапаны в составе измерительных контуров и клапаны в составе элемента технологического процесса.

Клапаны в составе измерительного комплекса, как правило, отвечают следующим требованиям:

– Сочетание характеристик клапана с измерительным прибором в составе контура регулирования.

– Выделение специализированных и критических контуров регулирования.

– Автоповерка на эффективность регулирования по заданным технологическим параметрам в составе систем автоматизации.

– Создание информационно-измерительных комплексов с разработкой математического обеспечения, способного прогнозировать изменение процесса или погрешности. Пример – уже упоминавшийся нами клапан веса метра квадратного, имеющего специальную встроенную программу для устранения перерегулирования.

Клапаны в составе элемента технологического процесса и клапанного хозяйства имеют следующие тенденции развития:

– Усложнение клапанов и внедрение клапанных узлов.

– Повышение надежности клапанов.

– Интеллектуализация клапанов.

– Интегрирование клапанов в систему автоматизации.

– Снижение издержек за счет развития сервисного обслуживания.

В блок-вставке ниже мы приводим пример определения критических контуров регулирования ТЭС и показываем, как компания Метсо Автоматизация, пользуясь этим подходом, сумела предложить наиболее подходящие клапаны для критичных условий эксплуатации и регулирования.

БЛОК-ВСТАВКА

КРИТИЧЕСКИЕ КОНТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЭС. ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ NELES JAMESBURY В КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЭС.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЭС

Цель работы ТЭС – отпуск теплового агента в виде пара или горячей воды с определенными параметрами расхода, температуры и обеспечение тепловодяного баланса. Дополнительными требованиями являются само качество воды, степень ее жесткости и насыщенность неконденсирующимися газами.

В работе ТЭС возникает множество возмущающих воздействий, от изменения погодных условий при работе на обогрев, до особенностей изменения работы теплопотребляющих агрегатов. Основными показателями, характеризующими технологический режим ТЭС, являются температура Т, напор, Н и расход Q теплового агента. Основным оборудованием с точки зрения регулирования являются:

– котлы, иногда их может быть несколько, работающих параллельно;

– сетевые насосы, обеспечивающие циркуляцию теплового агента;

– рециркуляционные насосы в линии рециркуляции воды от выхода с котлов на их вход;