Красным отмечена расчетная зона регулирования клапана
Современные расчетные методы позволяют определить показатели точности регулирования и ограничения по ряду других характеристик, тем самым выявив области, в которых достигаются допустимые и соответствующие требованиям процесса характеристики регулирования и выявить зоны ограничения применения клапанов.
Так, при построении собственных и установленных пропускных характеристик можно определить насколько рабочие характеристики могут обеспечивать пропорциональное регулирование (соответствие линейной расходной характеристике в трубопроводе. Ниже показан пример сравнения характеристик двух разных производителей по рабочей (установленной) характеристике.
Рис. Сравнение по установленной расходной характеристике двух сегментных дисковых затворов разных производителей
Большое значение имеют особенности рабочего элемента регулирующей арматуры. Этому во многих компаниях уделяется большое внимание. На представленном рисунке можно видеть, как формирование сечения рабочего элемента изменяет диапазон регулирования и пропускную характеристику клапана.
Рис. Сравнение по изменению Кv
При углах открытия арматуры на 20, 40 и 60 град, характеристики компании Сомас и характеристики арматуры компании Метсо имели различные Кv, что приводит к разным показателям качества регулирования. Напомним, что значение Кv, отличающееся от пропорционального, резко снижает возможности регулирования по расходу и характерно для большинства контуров регулирования типовых технологических процессов.
Основной проблемой при этом становится высокая установленная кривая усиления. Она увеличивает погрешность регулирования. Определение погрешности по расходу в зависимости от характеристики усиления демонстрируется формулой:
Где:
∆ Q – потери по расходу
Gv – усиление
∆h – погрешность положения клапана
Расчеты показывают, что превышение Gv более 2 ед. резко увеличивает погрешность и соответственно потери регулирования. Это иллюстрируется графиком, рис.
Рис. Сравнение по установленной кривой усиления
В нашем примере по расчету расходных характеристик, представленному выше, видно, что кривые расходных характеристик в значительной степени отличаются от линейной, что дает и значительно более высокие значения коэффициента усиления при этом. К тому же, эти значения неравномерны, и их пиковые значения приходятся на зоны наименьшего открытия регулирующего элемента, что также усложняет регулирование.
Сравнение решений по точности регулирования основано на анализе погрешности расхода и напора, задаваемой в процесс. Ниже представлен пример расчета применимости различных видов поворотной арматуры для схемы регулирования уровня в системе массоподготовки ОАО "Волга".
Рис. Схема регулирования уровня в системе массоподготовки ОАО Волга
Для этого узла можно применить как дисковые затворы, так и шаровые краны, рис.
Рис. Дисковый затвор серии L12 и шаровой кран серии М1 (компания Метсо)
Для них были проведены расчеты и построены следующие графики:
1. Собственные расходные характеристики
2. Установленные расходные характеристики
3. Кривые усиления
4. Максимально допустимые перепады давлений dP.
Построенные графики приведены на рис.
Рис. Характеристические кривые для шарового крана М1
Рис. Характеристические кривые для поворотной заслонки L12
Дисковый затвор обладает лучшими характеристиками для этого контура и способен до 50% снизить возможные потери точности при регулировании.
Таким образом, различные типы арматуры имея различные расходные характеристики по-разному влияют на точность регулирования в разных технологических процессах. Выбор того или иного типа арматуры должен определяться технико-экономическим обоснованием. Примеры отработки контуров регулирования и нахождения областей технико-экономической эффективности при применении шаровых кранов и дисковых затворов приведены ниже.
Пример 1. Сравнение шарового крана и сегментного дискового затвора в узлах разбавления
На рис. представлены результаты постепенного снижения вариативности и повышения точности регулирования в процессе разбавления и регулирования концентрации. Используемый шаровой кран был заменен на сегментный дисковый затвор и далее в процессе дальнейшей отработки точности регулирования сегментный дисковый затвор был заменен на сегментный дисковый затвор с улучшенным регулирующим органом, имеющим специальную конфигурацию выреза в сегменте.
| 1,4% |
| 0,63% |
| 0,49% |
Рис. Сравнение применения шарового крана и сегментного дискового затвора в контурах разбавления
Наблюдается значительное, до 67% в целом сокращение колебательности технологического параметра. Такое значительное уменьшение вариативности технологического процесса создает большие возможности для экономии используемого сырья и материалов. Так, для указанных параметров представленное решение по сокращению колебательности (вариативности) технологического процесса позволило получить экономию в объеме до 17250 Евро в год, см. табл.
Табл. Технико-экономический эффект отработки качества регулирования в узлах подачи химикатов
Как следует из приведенного технико-экономического расчета, может быть получена значительная экономия как при применении сегментного дискового затвора по сравнению с шаровым краном, так и еще большая экономия при применении сегментного дискового затвора со специальным смарт профилем выреза в сегменте.
Пример 2. Сравнение применения смарт технологий в ректификационных установках нефтехимической промышленности (производство бензина)
Для массовых продуктов, где наблюдается большая вариативность процесса, общее ее уменьшение способно создавать условия для повышения уровня классификации продукта, как это показано ниже для ректификационных установок, рис.
а)
| Уменьшение использования сырья |
| Повышение качества продукта |
б)
Рис. Результаты повышения точности регулирования для установок нефтехимической промышленности
а) простое сужение диапазона регулирования при снижении вариативности
б) возможности классификации по уровню качества продукта или использования сырья
В частности, при уменьшении вариативности можно сдвинуть допустимые пределы продукта либо в сторону верхней границы допустимых значений параметра продукта, либо к нижней. В первом случае мы получаем более качественный продукт с меньшим разбросом параметра свойств, в другом - большую экономию по используемому сырью и материалам.
Пример 3. Сравнение показателей экономичности при переходе к смарт решениям в картонно-бумажном производстве
Экономия становится наиболее заметной, если вместе с эффективным типом регулирующей арматуры используется и цифровой позиционер, способный уменьшать вариативность в связи с развитыми возможностями диагностики и отслеживания помех.
Ниже приведены данные по расчету технико-экономического эффекта для предприятия ЦБП, выпускающего массовый продукт - картон-лайнер (картон для плоских слоев гофрокартона). При уменьшении веса лайнера в технических условиях предприятия всего на 10 г, в связи с массовостью выпуска общая экономия может достигать 1000 тонн в год, как показано в табл.
Табл. Результаты отработки точности регулирования на бумагоделательной машине
Если применяются все возможности по снижению колебательности процесса, то можно получить большую экономию. Для этого нужно учитывать все виды экономии. В частности, это экономия от улучшения сортности по различным видам продукции, снижению общего расхода сырья, снижению расходов на ремонт в связи с возможностями диагностики, предоставляемых цифровыми позиционерами и расширению межремонтных интервалов и использованию соответствующего программно-диагностических комплексов. Пример подсчета экономии по всем представленным показателям для крупного ЦБК представлен ниже.
Пример 3. Экономическая эффективность от внедрения смарт арматуры в регулировании пароконденсатных систем бумагоделательных машин большой производительности
Табл. Суммарный экономический эффект от внедрения смарт решений
| Наименование показателей | Экономия, тыс. руб. |
| Улучшение сорта бумаги: | |
| SK | |
| SKS | 7 252 |
| Снижение расхода сырья | 83 181 |
| Снижение расходов на ремонт | 2 166 |
| От применения программы Field Care | 1 251 |
| Итоговый экономический эффект | 93 994 |