скачать книгу бесплатно
При изменении заданного сигнала «i» c запаздыванием «t» начинается переходной процесс, превышая заданный сигнал на величину «Н», при этом общее значение отклонения от первоначального сигнала будет отличаться на величину «Н1». Отклонение Н\Н1 определит величину перерегулирования.
Совершенный клапан должен иметь характеристики, позволяющие наиболее точно выполнить заданный сигнал, как можно больше снижая переходные процессы. Совершенство регулирующего клапана в процессе регулирования определяется по специализированным методикам, см. ниже:
Оценка клапанов на предмет совершенства регулирования по этим методикам позволяет связать их с аналогичными характеристиками, принятыми для звеньев контуров регулирования, табл.4.
Табл.4. Основные соответствия между совершенством работы звена контура регулирования и характеристиками регулирующего клапана
Как видно, работоспособность и качество контура регулирования как части системы САР (системы автоматического регулирования АСУ ТП) во многом коррелируют с характеристиками качества регулирующих клапанов, обеспечивающих эти требования. Фактически их можно отнести к сквозным параметрам, связывающим точность контура с точностью клапана.
Динамика клапана, а именно изменение скорости движения его затвора в зависимости от поворотного момента, в связи, как со средой, так и особенностями привода оказывает максимальное влияние на эксплуатационные характеристики. К ним относятся запаздывание, точность позиционирования, стабильность хода и стабильность достижения положения, высокое разрешение при движении, быстродействие, отсутствие люфтов, оптимальные постоянные времени, сила внутреннего трения в клапане и прерывистость движения затвора. Собственные характеристики клапана, такие как гистерезис, мертвая зона, определяют множество характеристик клапана для стационарных процессов. Залипания, связанные с особенностями трения между затвором и уплотняющей поверхностью, а также суммой трений между штоком и сальником, дополнительно повышают трение. Значительно влияют и особенности движения поршня в поршневых приводах. Все приведенные проблемы влияют на точность расхода и на потери в целом, см. пример.
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
?Q? –потери расхода;
G? –потери из-за неправильного коэффициента усиления;
?h? – 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.
3.1. Арматура и законы развития технических систем
Ниже мы попытаемся описать, как законы развития технических систем проявляются в развитии арматуры.
ЗАКОН ПЕРЕХОДА В НАДСИСТЕМУ
Заключается в том, что со временем отдельные подсистемы становятся частью самой системы, полностью интегрированной в нее.
Еще не так давно на предприятиях ЦБП можно было встретить сборные клапаны, где преобразователь и концевой выключатель, а также электронный блок были отдельными элементами системы регулирования. В настоящее время они скомпонованы в едином узле «позиционер».
Далее разрабатывались новые конструкции, где позиционер и привод стали единым целым, без транспортного звена, задающего дополнительные «помехи» в процесс регулирования.
Совмещенный привод с позиционером все чаще ложатся непосредственно на клапан без промежуточных хомутов, и обеспечивается надежная связь между ними. Цель – полное устранение возмущений, привносимых транспортными и передаточными участками, неправильной установкой, вибрациями, воздействующими на отдельные узлы по-разному.
Все больше клапан соответствует требованиям надсистемы системы регулирования – технологическому процессу. В этом случае, клапан может сам себя поверять на соответствие требованиям технологического режима, конструкции клапана лучше учитывают требования по среде, давлению, расходу, стойкости к коррозии, абразивному и эрозионному износу, кавитации и сопротивлению отдельным вредным явлениям – гипсации, карамелизации и др.
ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ИДЕАЛЬНОСТИ И РЕГУЛИРУЕМОСТИ СИСТЕМЫ
Проявляется в том, что развитие регулирующих клапанов все больше отвечает развитию клапана в составе измерительного комплекса – повышается точность выполнения задания, вводятся понятия и математическое и аппаратурное обеспечение метрологической надежности выполнения задания, прогнозирующие механизмы устранения погрешностей и др.
Из технологических схем все чаще устраняются шиберные задвижки или они устанавливаются на участках, где они являются единственной альтернативой. Причина – шиберная задвижка не может быть автоматизирована для целей регулирования, т.к. на ней практически невозможно получить регулирование с высокой степенью линейности, что является идеальной характеристикой регулирования.
Переход к принципиально новой системе будет происходить тогда, когда регулирующий клапан и клапанный узел станет в большей степени развиваться в составе измерительного комплекса, а часть его функций или аппаратурного оформления будет заменяться программным обеспечением с возможностью прогнозирования. Уже сейчас это заметно на наиболее совершенных клапанах, например, клапане регулирования веса м2 NelesACE, способного проводить регулирование по расчетному алгоритму на основе математической программы, обеспечивать отсутствие перерегулирования на переходных режимах и др.
ЗАКОН ВЫТЕСНЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ИЗ СИСТЕМЫ
Закон характерен тем, что вытеснение человека происходит на нескольких уровнях – исполнительном, преобразовательном, с уровня исполнения и информационного уровня. Сегодняшнее положение дел можно охарактеризовать тем, что вытеснение человека происходит с преобразовательного уровня на уровень управления (АСУ ТП) и с уровня управления на информационный уровень (переход к ИИС – информационно-измерительным системам). Происходит замена интуитивных и аппаратных решений математикой, программным обеспечением, способным прогнозировать поведение системы.
Далее происходит поэтапное вытеснение человека из системы в следующей последовательности.
Вытеснение человека из каждого из элементов клапанного узла
вытеснение человека как источника энергии\движителя
Пример. Вытеснение седельных клапанов и шиберных задвижек поворотными дисковыми затворами. Наблюдается постоянное вытеснение шиберных задвижек из технологического процесса. Длительное время они оставались часто используемыми, поскольку их движением легко было управлять. Также седельные клапаны легко управлялись простым перемещением штурвала с незначительным усилием, которое могло производиться человеком. Замена седельных клапанов или шиберных задвижек на поворотные заслонки, где требуется значительно более сильное поворотное усилие\момент, привело к машинному способу перемещения, где в помощь штурвалу всегда используется специальный редуктор, передающий усилие.
Пример. Вместо мускульной силы стал использоваться пневмо или электропривод.
Пример. Вместо оператора для задания сигнала используется позиционер, точно знающий положение клапана и способный обеспечить его перемещение на правильный угол.
Вытеснение человека между уровнями
Пример. Переход к компактным конструкциям «клапан – привод – позиционер» больше не требует большей части монтажа при помощи специальных трубок. Наличие интеллектуального ND позиционера все меньше требует контроля со стороны системы АСУ ТП (DCS), при этом на пути сигнала стоит все меньше помех, меньше требуется нормо-часов на обслуживание, быстрее выявляются потери, погрешности, неисправности и др.
Вытеснение с уровня управления и информации
Пример. Этот процесс наиболее выражен в том, что клапан все больше и больше может себя диагностировать, тем самым вытесняя «дядю Васю» из процесса. В целом, функции, которые при ремонте были свойственны человеку, например, анализ неисправности, ее установление, рекомендации по ее устранению, т.е. "что необходимо сделать", все больше анализируются специальной программой типа FieldCare.
ЗАКОН ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧНОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ
Наиболее эффективно проявляется в системах регулирования. Примеры: повышение степени автоматизации, повышение степени непрерывности процесса регулирования за счет постоянного управления, за счет последовательного перехода по следующим этапам (примеры приведены из анализа техники компании Метсо):
