Пример. Имеется клапан мертвой зоной 0,5%. (Специалисты по управлению назвали бы эту характеристику – «зоной нечувствительности»). При его кривой усиления G=1, (аналогичный параметр из теории систем регулирования – кривая усиления исполнительного устройства) погрешность расхода также составит 0,5%. Если клапан выбран неверно и его кривая усиления составляет G=3, то погрешность регулирующего клапана составит 1,5 %, т. е. в 3 раза больше. Добавляя сюда показатели качества самого клапана, такие как обратное противодавление, а при неправильном выборе клапана, высокий фактор нагрузки, трение и залипание, получим дополнительную составляющую погрешности расхода. В целом это приводит к низкому качеству регулирования в соответствии с формулой:

Где

∆Qε –потери расхода;

Gν –потери из-за неправильного коэффициента усиления;

∆hε – дополнительные потери, связанные с качеством клапана.

Суммирование влияния клапана на точность регулирования позволяет создать определенные критерии выбора клапана для различных контуров регулирования и процессов. Правильный выбор клапана в зависимости от условий протекания технологического процесса, позволяет создать оптимальные условия для регулирования.

В настоящее время подбор клапана по «метрологическим» характеристикам, т. е. характеристикам, отвечающим за качество регулирования, и максимально соответствующим требованиям процесса, получает все большее признание. Например, чтобы обеспечить точность регулирования, медленно протекающие процессы требуют, чтобы клапан имел как можно меньшую мертвую зону, но высокую точность позиционирования, тогда как быстро протекающие процессы, например, с частым изменением параметров процесса требуют клапанов с малым гистерезисом и высоким быстродействием. При быстрых процессах низкое время отклика является наиболее критичным для характеристики времени запаздывания и инерционности. Учитывая эти факторы, удается повысить точность регулирования.

Развитие клапанов в направлении точности регулирования позволило найти эффективные решения для критически важных контуров. На ТЭС ими могут быть признаны контуры, где отношение параметров на входе и на выходе превышает критическую величину для этого контура и приводит к недопустимым погрешностям. В частности, ими могут быть: контуры питательной воды, регулирования подачи воды в пароперегреватель, клапаны пароконденсатного тракта, РОУ и др.

С ростом возможностей клапана и теоретического осмысления процесса регулирования появились программы расчета процесса регулирования и регулирующих клапанов. Их «статичность», т. е. пользование параметрами, выбранными при проектировании клапана, устраняется большей адаптивностью расчета в применении к изменяющемуся технологическому процессу. К примеру, в перспективе программы расчета типа Nelprof будут встроены в «голову» клапана для большей адаптации к изменениям в процессе клапана и контура в целом. (Источник: Статья Горобченко С. Л., Сурикова В.Н., Тотухова Ю.А. «О необходимости технологической поверки клапанов», (журнал ТПА №6, 2010).

Таким образом, клапаны прошли большой путь в составе контуров регулирования, достигнув уровня, когда они способны брать на себя задачи, ранее выполнявшиеся системой автоматизации. Ведущей тенденцией развития клапанов в составе контуров регулирования можно считать вклад в повышение идеальности регулирования и точности контура в целом.

На основе проведенного выше анализа становится ясно, что основными критериями выбора клапанов для работы в системах автоматизации может быть соответствие клапана равнопроцентной расходной характеристике, как обеспечивающей максимальную линейность установленной характеристики в трубопроводе. Вторым важным критерием является уровень возмущений, которые привносит клапан в процесс и насколько увеличиваются при этом отклонения заданного командного сигнала с его выполнением. Ниже приводятся основные преимущества поворотной арматуры (шаровых, сегментных, эксцентриковых кранов и поворотных заслонок) по сравнению с арматурой возвратно-поступательного действия (далее линейные клапаны).

БЛОК-ВСТАВКА. ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ ПО СРАВНЕНИЮ С АРМАТУРОЙ ЛИНЕЙНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Высокий коэффициент Cv (Кv)

Обычно поворотные клапаны имеют более высокую пропускную способность в терминах номинального размера по сравнению с линейными клапанами. Например, сегментные и шаровые краны обычно имеют коэффициент Cv в 3 раза больший, чем коэффициент Cv линейных клапанов (вентилей) равного размера. Следовательно, могут применяться поворотные клапаны меньшего размера, и даже трубопроводы меньшего размера. Так, если необходимый размер линейного клапана составляет 4 дюйма, то может использоваться сегментный клапан размером 3 или даже 1 дюйм. Разница возрастает при увеличении размеров клапанов.

Отличное разрешение

Эффективные и «быстрые» технологические процессы требуют применения таких же эффективных регулирующих клапанов. Сегментные регулирующие клапаны, например, серии nelesCV, объединяющие оптимизированный V-образный затвор, беззазорную конструкцию с низким уровнем трения и интеллектуальный цифровой контроллер клапана ND 9000, могут удовлетворять требованиям, где необходимо иметь высокую разрешающую способность по отклику клапана, рис. 5.

Рис. 5. Характеристики отклика при использовании конструкций клапанов с высоким и низким трением

В качестве примера приведем клапан nelesCV. – nelesCV Finetrol. Он имеет конструкцию затвора, которая стабилизирует возмущения в потоке и допускает работу до полного открытия на 900. Эксцентриковая конструкция устраняет трение о седло, обеспечивая отличную эффективность регулирования, рис.7. Беззазорное соединение между клапаном и приводом обеспечивает быстрый и точный отклик, даже для небольших изменений значения регулируемой величины. Даже без применения специальных позиционирующих устройств клапан достигает разрешения 1:150.

Рис. 6. Разрешение клапана Finetrol

7. Клапан Finetrol

Широкие пределы регулирования рабочего диапазона

Поворотные клапаны обычно имеют пределы регулирования рабочего диапазона в 10–20 раз большие, чем линейные клапаны. Поворотные клапаны имеют более высокий коэффициент Cv и могут очень хорошо регулировать низкий расход при небольшом угле открытия. Регулирование потока с помощью седельных клапанов при небольших углах открытия часто затруднительно, поскольку возмущения в потоке стремятся нарушить точность регулирования. Поворотные клапаны могут регулировать поток, как только начинает открываться затвор. При этом регулирование получается очень точным с эксцентриковыми поворотными клапанами (Finetrol), благодаря их затвору-стабилизатору потока, а регулирование начинается сразу, как только клапан открывается. Сегментные шаровые клапаны (серия R, рис.8) могут регулировать расход еще более точно, поскольку в них применяется оптимизированный V-образный затвор.

Рис. 8. Поворотный сегментный клапан серии R компании Метсо

Интеллектуальные позиционеры

Применение технологий позиционирования в регулирующих клапанах поворотного типа проще, поскольку не требуется применять сложные приводы, проводить дополнительные мероприятия для устранения нелинейности и т. п.

Интеллектуальный позиционер с усовершенствованными возможностями диагностики обеспечивает длительную эффективность работы поворотных регулирующих клапанов в течение всего срока их службы. Это гарантирует в первую очередь долговременную стабильность и точность выполнения командного сигнала.

Уменьшение числа передаточных звеньев и длины хода при переходе на поворотную арматуру позволяет надежнее рассчитывать вероятные погрешности и неисправности при работе и обеспечивать значительно большее покрытие диагностикой параметров работы автоматических клапанов.

Компактная конструкция

Компактность поворотной арматуры по сравнению с арматурой возвратно-поступательного типа не вызывает сомнений. Однако этот фактор также важен и при оценке соответствия требованиям к клапанам, работающим в автоматических системах.

Компактность особенно важна для автоматических систем, где существует много узлов, склонных к потере работоспособности при значительных вибрациях. Благодаря своей компактной конструкции, поворотные клапаны легко устанавливаются и оказываются более устойчивыми к вибрациям трубопровода, чем традиционные линейные клапаны.

Наиболее чувствительной частью регулирующего клапана является позиционер, который жестко устанавливается вверху привода, близко к трубопроводу, и, следовательно, он не настолько склонен к значительным вибрациям трубопровода, чем позиционер, устанавливаемый в традиционных линейных клапанах.

Компактная конструкция способствует меньшему транспортному плечу в передаче момента, меньшему количеству люфтов и соответственно меньшему числу погрешностей и внутренних возмущений, вносимых в процесс. Это в свою очередь в большей степени обеспечивает адекватность выполнения командного сигнала клапаном и меньший уровень возмущений. Независимость погрешностей четвертьоборотных поворотных клапанов от длины хода и диаметра трубопровода, делает применимость этих клапанов для трубопроводов большего диаметра еще более привлекательными.

Надежность эксплуатации

Непрерывная эксплуатация является основой работы автоматических установок. Надежность в условиях постоянной эксплуатации является одной из важнейших характеристик клапана. При использовании в системах автоматизации надежность клапана должна быть выше, поскольку для автоматического срабатывания требуется более высокий уровень надежности арматуры. Основной проблемой при этом служит надежность непрерывной эксплуатации в загрязненных средах при максимальном числе циклов срабатывания.

Выделяют основные участки, отвечающие за надежность арматуры в эксплуатации: область «штока-сальника» и область «затвора-седла».

Область штока-сальника

Линейные клапаны склонны затягивать загрязненную рабочую жидкость в область штока. Это увеличивает затраты на техническое обслуживание и уменьшает эффективность и надежность работы клапанов. Линейные клапаны имеют свойство очень легко «залипать» при эксплуатации в загрязненной среде. В поворотных клапанах при вращающемся действии область штока остается чистой. Это увеличивает межсервисный интервал клапанов и поддерживает эффективность и точность работы клапанов на высоком уровне, даже в условиях работы в загрязненных жидкостях.

а) б)

Рис. 9. Схема работы сальникового узла в поворотной арматуре и арматуре возвратно-поступательного действия (www.metso.com).

а) схема работы поворотной арматуры – предотвращается попадание загрязнений в сальник;

б) схема работы клапана возвратно-поступательного действия – загрязнения поднимаются и истирают сальник из-за особенностей линейного перемещения;

в) г)

Рис. 10. Условия работы сальникового узла в поворотной арматуре и арматуре возвратно-поступательного действия (фото автора)

а) общий вид утечек в работе клапана возвратно-поступательного действия;

б) поворотная арматура в работе.

Поворотные клапаны демонстрируют в 100 раз меньшие показатели утечек через шток, чем стандартные линейные клапаны. Например, при динамической нагрузке для стандартной конструкции уплотнения штока поворотные клапаны Metso могут соответствовать самым современным стандартам по выбросам загрязняющих веществ (CAA, TA-Luft, ISO 15848) на уровне, практически равном уровню линейных клапанов с сальниковой набивкой сильфонного типа. Приведенные факты позволяют во много раз увеличить гарантии по циклам срабатывания, межремонтные интервалы и срок службы без ремонта в целом, рис. 11.

Рис. 11. Изменение уровня выбросов в зависимости от количества циклов срабатываний арматуры

Нагруженное пружиной уплотнение штока, т. н. нагружение на весь срок эксплуатации, обеспечивает долгосрочность эксплуатации без необходимости выполнения технического обслуживания и контроля за выбросом загрязняющих веществ в атмосферу. Нет риска внезапной поломки, характерного для линейных клапанов с набивкой сильфонного типа. При этом на предприятии снижаются общие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, обеспечивается стабильность работы клапана как исполнительного устройства в системе автоматизации.

Область затвора-седла

Затворы поворотных клапанов могут работать в очень загрязненных жидкостях, если при этом используются затворы незасоряющейся конструкции. Например, в эксцентриковых поворотных клапанах Finetrol отсутствуют полости, где жидкость может задерживаться. Такие конструкции находят свое применение при регулировании потоков жидкостей, склонных к залипаниям, накипи, кристаллизации или полимеризации.

Антикавитационные и способствующие снижению шума затворы (Q-trim) для поворотных клапанов Metso имеют самоочищающуюся, «прозрачную» конструкцию, которая может применяться для очень загрязненных жидкостей. В частности, оказалось, что при эксплуатации линейных клапанов клеточного типа возникают проблемы при работе в условиях загрязненной среды, тогда как для поворотных клапанов такой проблемы не наблюдалось.

Поворотные регулирующие клапаны могут быть оборудованы снижающим шум и кавитацию затвором (Q-trim), который имеет широкий диапазон настройки и может легко работать в загрязненных жидкостях, рис.12. Жестко установленные элементы Q-trim вращаются вместе с затвором, что обеспечивает клапанам Q-trim более высокий Cv по сравнению с седельными клапанами такого же размера.

а) б)

Рис. 12. Схема работы регулирующих клапанов с антикавитационными насадками Q-trim

а) схема работы

б) кривая изменения аэродинамического шума

В затворах используется разделение ступеней давления, контроль скорости внутри него и разделение потока жидкости на множество струй. При использовании стандартных шумопонижающих клапанных затворов можно добиться снижения уровня шума до 20Дб. Технология Q-trim для поворотных клапанов была разработана компанией Neles в начале 80-х годов прошлого века и используется с тех пор во всех поворотных клапанах Metso размерами от 1 до 36 дюймов.

Для дисковых поворотных заслонок используется специальное решение со стабилизирующим поток затвором – S-Disc, рис. 13.

Рис. 13. Схема работы S-Disc и клапан Neldisc

Этим решением удается обеспечить высокую эффективность регулирования и отличную продолжительную герметичность клапана. Конструкция S-Disc включает стандартный дисковый поворотный клапан, оборудованный затвором – стабилизатором потока, расположенным со стороны выхода потока. Оригинальная идея диска, стабилизирующего поток, заключается в переносе силы жидкости с диска на корпус. Конструкция S-Disc обеспечивает стабильное регулирование потока и сниженный динамический крутящий момент, а также пониженный уровень шума и вибраций. Это подразумевает применение приводов меньшего размера, а также больший перепад давления регулирования, чем при использовании традиционных дисковых поворотных клапанов.

Наиболее сложная задача – устранение возмущений потока при регулировании и необходимость введения компенсирующих элементов в системе автоматизации, таким образом, может быть решена.

Конструктивные особенности арматуры для систем автоматизации

Кроме приведенных элементов, связывающих клапан с технологическим процессом и системой автоматизации, в клапане появляются специальные конструктивные элементы, обеспечивающие точность передачи момента без дополнительных люфтов. Пример такого конструктивного элемента приведен на рис. 14.

Рис. 14. Конструкции креплений для клапана автоматического регулирования серии Jamesbury

В ручных и приводных клапанах на основе механических тяг такие конструктивные элементы не применяются из-за экономической нецелесообразности. Наибольшее применение они находят в автоматических клапанах, способствуя обеспечению высокого уровня точности позиционирования автоматических контуров регулирования.

Таким образом, для целей регулирования эффективно использовать поворотную арматуру. Однако на сегодняшний день, ее применение относительно мало по сравнению с арматурой возвратно-поступательного типа, особенно в энергетике. Это приводит к значительным проблемам при работе автоматических систем. В частности, не полностью используются достижения современных цифровых систем автоматизации, основанных на эффективном регулировании процессов.

Для качественного регулирования необходимо, чтобы исполнительные органы в контурах регулирования соответствовали бы растущим требованиям систем автоматизации. При этом можно сказать, что многие конструктивные элементы поворотной арматуры получили свое развитие только благодаря системам автоматизации.

Развитие регулирующих клапанов в контурах регулирования показывает, что задача дальнейшего повышения качества регулирования в автоматических контурах в большей степени должна ложиться на поворотную арматуру.