Проблемы выбора арматуры для систем автоматического регулирования

Суриков В.Н., проф., директор КЦ Промконсалт, Санкт-Петербург

Горобченко С.Л., директор по развитию, КЦ Промконсалт, Санкт-Петербург
Тотухов Ю.А., доцент, ВШТЭ, СПбГУТПД, Санкт-Петербург

Торопова Е., магистрант ВШТЭ, СПбГУТПД

ВВЕДЕНИЕ

Оценка применимости того или иного класса поворотной арматуры в узлах регулирования по-прежнему носит спорный характер. На один и тот же узел могут предлагаться различные типы трубопроводной арматуры. При этом убедительных доказательств их выгодности и применимости часто найти не удается, поскольку каждый тип арматуры силен по какому-то параметру и слаб по другому, в котором конкурирующий тип арматуры может обладать большим преимуществом.

В то же время наблюдаются определенные тенденции, в которых прослеживается предпочтения потребителей. Так, выдающиеся успехи в применении шаровых кранов неоспоримы. Однако, также часто начинают применяться и дисковые поворотные затворы. Выбор того или иного решения остается вопросом, на который пока еще нет определенного ответа.

Чтобы найти приемлемые ответы, должны быть выделены критерии, по которым можно было бы судить о преимуществах в применении того или иного типа арматуры. После определения критериев можно будет выработать и соответствующий алгоритм выбора типа арматуры, отвечающий современным требованиям потребителей.

Такими критериями для автоматической арматуры, предназначенной для регулирования технологических процессов, могли бы стать следующие:

- точность или погрешность регулирования, и связанные с ними обобщенные критерии качества регулирования, отражающие главную функцию и главное потребительское свойство арматуры

- уровень затрат, включая различные виды энергопотерь, создающие условия для максимальной привлекательности того или иного типа арматуры.

Отметим, что понятие затрат для арматуры достаточно объемно и может включать в себя следующие затраты:

- конструктивные, например, вес, габариты арматуры, энергоемкость привода, стоимость отдельных конструктивных элементов, заложенные уже при проектировании надежность, ремонтопригодность, и пр.;

- проектно-инжиниринговые затраты, связанные с выполнением проекта, например, стоимость монтажа, пуско-наладки, калибровки и пр.,

- эксплуатационные, включая затраты на ТО и ремонты, различные виды потерь при работе арматуры, пропуски, утечки среды, накопление износа, сбои и энергопотери, связанные с несовершенством проточной части арматуры и несовершенством регулирования, например, потеря точности расхода при регулировании.

Чтобы выделить тенденции, мы должны предположить, что все технические системы развиваются закономерно и критерии соответствия закономерностям развития технических систем (ЗРТС) дадут нам точный вектор и уверенность в правильности оценки того или иного предлагаемого технического решения.

Такими законами являются:

- Закон повышения идеальности. В нашем случае его можно переформулировать как закон повышения идеальности регулирования. Он может выражаться в снижении нелинейности, повышении степени отклика клапана на управляющий командный сигнал, меньшей погрешности при регулировании и др. Закон повышения динамичности и закон согласования - рассогласования будут способствовать идеальному выполнению главной функции - регулированию.

Снижение затрат могло бы обеспечить выполнение следующих законов:

- Закон свертывания. Для арматуры это может выражаться в уменьшении весогабаритных характеристик и количества конструктивных элементов. Такое следствие закона как повышение энерговооруженности и соответствующее ему энергосбережение и снижение энергопотерь также должны войти в сферу нашего рассмотрения.

Ниже предлагаются способы выбора арматуры по критериям качества регулирования и долгосрочного соответствия основным линиям развития арматуры.

Для начала необходимо рассмотреть основные понятия теории регулирования, которые позволили бы в дальнейшем использовать их для оценки эффективности применения того или иного технического решения и выделить наиболее привлекательные типы арматуры.

ОСНОВЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Автоматическое регулирование технологических процессов в ЦБП определяется способностью арматуры выполнять командные сигналы с наибольшей точностью и соответственно с меньшей погрешностью. До сих пор в ЦБП применяются различные типы арматуры, включая арматуру возвратно-поступательного типа и поворотную. При этом преимущество отдается поворотной арматуре. Простота автоматического регулирования является одним из важнейших пунктов, по которым поворотная арматура является более выгодной по сравнению с арматурой возвратно-поступательного типа. Причинами этого в порядке убывания являются:

1. Наличие равнопроцентной характеристики

2. Скорость выполнения сигнала за счет поворота всего на 1\4

3. Предсказуемость работы затвора

4. Компактность, малый вес.

Основой выбора клапана является расчет расходной характеристики. Собственные пропускные характеристики арматуры различных типов представлены на рис.

Рис. Собственные характеристики клапанов

Как видно, наихудшую характеристику имеют седловые клапаны. Лучшие характеристики имеет арматура поворотного типа. В зависимости от процесса ими могут быть:

- шаровые краны

- дисковые (сегментные, эксцентриковые) затворы.

ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ПОТОКА СРЕДЫ

Возможности регулирования определяются особенностями течения потока через проточную часть арматуры. Прохождение потока через шаровой кран и дисковые затворы имеют свои особенности. При этом могут возникать различные виды турбулентности, создающие трудности при регулировании, например, дополнительную нелинейность.

Особенности протекания потока через шаровой кран и дисковый затвор показаны на рис.

Рис. Особенности протекания потока через шаровой кран и дисковый затвор

Различные виды проточной части формируют и свои реакции потока, влияющие на силовые характеристики и выбор исполнительных устройств, например, привода. Пример формирования поворотного момента в шаровом кране показан ниже.

Рис. Формирование поворотного момента в шаровом кране

Многие факторы работоспособности регулирующей арматуры определяются кривой гидравлического сопротивления потока при перекрытии трубопровода. Это демонстрирует кривая Жуковского, рис.

Рис. Характерная линия изменения давления и гидравлического сопротивления при перекрытии потока

Для определения способности типа арматуры к регулированию в трубопроводе необходимо получить зависимость напора от расхода в гидравлической сети. Обычно для этого используют стенды , схема которого представлена на рис.

Рис. Определение рабочей (установленной) расходной характеристики клапана в трубопроводе

В зависимости от качества собственной и установленной расходных характеристик арматуры можно получить линейное или нелинейное изменение расхода или другого параметра в трубопроводе.

Ниже представлена схема, показывающая возможности контроллера, главной задачей которого является устранение нелинейности в связи с невозможностью обеспечить линейное (пропорциональное) изменение расхода при открытии клапана.

Рис. Порядок преобразования сигнала системы АСУ ТП в параметры потока на трубопроводе

Рассмотрение изменений расхода от изменения сигнала регулирования (например, относительного малого перемещения клапанах) позволяет найти погрешности в регулировании за счет нахождения отклонений от линейности, как показано на рис.

Рис. Ошибка нелинейного регулирования положения

Представленные материалы из теории регулирования позволят нам выработать критерии, на основе которых мы можем провести выбор того или иного клапана и определить основные тенденции развития арматуры.