Автор: admin

Современные регулирующие клапана. Основные направления развития.

1. Кавитация, вибрация, шум и эрозионный износ как факторы, препятствующие нормальной работе регулирующего клапана.

Работа регулирующего клапана может сопровождаться такими неблагоприятными явлениями, как кавитация, вибрация и шум. Особенно это имеет место при больших скоростях течения и больших перепадах давления на регулирующем органе. Результатом этих явлений может стать интенсивный износ поверхностей дроссельной пары, корпуса, штока и уплотнительных элементов сальника, а также нарушение герметичности в дроссельной паре и фланцевых соединениях. Таким образом, имеет место нарушение нормальной работы клапана и, как следствие, его отказ, то есть сокращение срока его службы. Сюда же следует добавить шумовое загрязнение окружающей среды. Как известно, уровень шума в рабочих помещениях ограничен нормативными документами. Осознание регулирующего клапана как источника кавитации, вибрации и шума позволило сформулировать новый, более прогрессивный принцип выбора типоразмера (то есть конструкции и размера по пропускной способности) клапана. Традиционный принцип выбора типоразмера клапана сводится к определению необходимого значения условной пропускной способности (Kvy) для клапана заданной конструкции (например, клеточного). Новый принцип выбора добавляет дополнительное требование: процесс дросселирования должен быть проведен без кавитации, вибрации и шума.

2. Традиционные способы и приемы предотвращения кавитации, вибрации, шума и эрозионного износа — ограничение скорости течения и перепада давления на регулирующем клапане.

Естественная попытка избавиться от перечисленных выше неблагоприятных явлений заключалась в ограничении перепада давления на регулирующем клапане и скорости течения регулируемой среды через него. Существующий уровень расчётного обеспечения позволяет рассчитать бескавитационный перепад давления на регулирующем клапане, а также перепад давления, обеспечивающий заданную скорость течения несжимаемой (объёмноустойчивой) или сжимаемой жидкости. В технической литературе и в каталожных материалах зарубежных фирм можно найти конкретные рекомендации по предельным значениям скоростей течения для жидкости и газа.

3. Недостаток традиционных способов предотвращения кавитации, вибрации, шума.

Традиционным методам предотвращения кавитации, вибрации и шума за счёт ограничения перепада давления на регулирующем клапане свойственен существенный недостаток, который делает эти методы недостаточно эффективными, а зачастую и вовсе бесполезными. Да, представляется возможным рассчитать перепад давления, обеспечивающий работу клапана без кавитации (на жидкости) и при умеренных (дозвуковых) скоростях течения (на газе). Но воспользоваться результатами расчёта зачастую не представляется возможным, так как условия технологического процесса ограничить перепад давления не позволяют! В большинстве случаев перепад давления на регулирующем клапане превышает значение, необходимое для управления потоком. Другими словами, регулирующему клапану приходится выполнять две функции: управления потоком и дросселирования, то есть гашения «лишнего» перепада давления. Под «лишним» (для клапана!) перепадом давления следует понимать его избыток сверх необходимого значения для того, чтобы обеспечить максимальный расход регулируемой среды и управление потоком. Довольно часто «лишний» перепад давления существенно больше необходимого значения. «Лишний» перепад давления может быть обусловлен регламентом технологического процесса, когда высокое давление необходимо, например, для проведения химической реакции. В этом случае при выводе продуктов реакции из зоны высокого давления необходимо погасить (рассеять) давление, что и осуществляется посредством регулирующего клапана. Другим источником «лишнего» перепада давления может стать завышение общего перепада давления в трубопроводной системе при выборе источника напора. Кроме того, при закрытии клапана перепад давления на нём увеличивается и в положениях близких к закрытию именно на регулирующем клапане рассеивается весь перепад давления трубопроводной системы.

4. Разделение функций управления потоком и дросселирования как основная современная тенденция развития регулирующих клапанов.

Наиболее важной современной тенденцией в развитии конструкций регулирующих клапанов следует признать разделение в конструкции клапана функций управления потоком и дросселирования (то есть гашения «лишнего» перепада давления). Таким образом, проточная часть клапана делится на две зоны: регулируемую (это – дроссельная пара) и нерегулируемую (это – различные гидравлические сопротивления в проточной части клапана). Сопротивления в проточной части клапана, выполняющие функцию дросселирования, называют дополнительными каскадами дросселирования. Назначение дополнительных каскадов – уменьшить перепад давления на дроссельной паре и осуществить процесс дросселирования без кавитации, вибрации и шума. Количество и форма дополнительных каскадов зависит от назначения и, соответственно, конструкции клапана.

5. Формирование дополнительных каскадов в проточной части регулирующего клапана.

Известно большое количество конструктивных исполнений дополнительных каскадов проточной части регулирующего клапана:

— перфорированные втулки;

— концентрические перфорированные втулки;

— перфорированные диски;

— последовательность перфорированных дисков;

— диафрагмы;

— набор (последовательность) диафрагм;

— лабиринты.

Следует особо отметить, что клеточная конструкция регулирующего клапана удобна для размещения дополнительных каскадов. Поэтому большая часть известных конструкций многокаскадных регулирующих клапанов реализована именно на базе клеточных конструкций. Дополнительные каскады дросселирования могут быть реализованы в виде самостоятельных изделий. В качестве примера можно назвать антишумовые патроны фирмы «Masoneilan».

6. Формирование системы специальных конструкций и исполнений регулирующего клапана.

Новые требования к качеству процесса дросселирования в регулирующем клапане привели, соответственно, к формированию принципиально новых требований к конструкции регулирующего клапана. Конфигурация проточной части клапана должна соответствовать режимным параметрам потока регулируемой среды. По мере повышения степени кавитационной или шумовой опасности в проточную часть клапана должны включаться дополнительные элементы или каскады, обеспечивающие требуемое качество процесса дросселирования. Здесь возможны два подхода:

Антикавитационные или антишумовые конструкции регулирующих клапанов разрабатываются на базе стандартного исполнения клапана посредством введения в проточную часть клапана дополнительных элементов. В этом случае клапан может иметь различные исполнения: стандартное, несколько антикавитационных (для жидкости) и несколько антишумовых (для газа).

Конструкция клапана разрабатывается как антикавитационная или антишумовая.

Развитие конструкций регулирующих клапанов происходило с использованием обоих подходов, однако наиболее продуктивным показал себя принцип разработки специальных исполнений стандартной конструкции. Такой подход реализован в конструкциях практически всех ведущих фирм — разработчиков и производителей регулирующих клапанов.

7. Новый подход к задаче выбора типоразмера регулирующего клапана по исходным требованиям потребителя.

В соответствии с новыми требованиями к показателям функционирования регулирующего клапана изменилось содержание, а также расчётное и программное обеспечение работы по выбору типоразмера регулирующего клапана по исходным требованиям потребителя (заказчика). Прежде по исходным требованиям потребителя производился выбор типоразмера регулирующего клапана по пропускной способности (Kvy). Новый подход заключается в том, что производится выбор типоразмера по следующим показателям:

— по степени антикавитационной или антишумовой защиты;

— по пропускной способности (Kvy).

Прежний (традиционный) подход требовал весьма несложного расчётного и нормативного обеспечения. В отечественной практике до настоящего времени такие расчёты обычно выполнялись вручную или с помощью довольно простых машинных программ. Новый же подход требует расчётного обеспечения гораздо более высокого уровня.

8. Уровень генерируемого шума как параметр регулирующего клапана.

Требование бескавитационной и бесшумной работы клапана привело к пониманию уровня шума, генерируемого регулирующим клапаном, как параметра регулирующего клапана, определяющего качество его работы. Сформировалось понятие допустимого уровня шума. Превышение допустимого уровня шума представляется теперь недопустимым и требует изменения конструкции регулирующего клапана (например, перехода от стандартной конструкции к специальной). Представляется понятным и очевидным двойственный характер этого (нетрадиционного) параметра клапана. С одной стороны, уровень генерируемого шума – это рабочая характеристика клапана в конкретных условиях эксплуатации. С другой стороны, уровень генерируемого шума – это собственная характеристика регулирующего клапана, определяемая геометрией (конфигурацией) его проточной части и определяющая условия его работы в особых условиях эксплуатации. Под особыми условиями эксплуатации следует понимать совокупность режимных параметров регулируемой среды, способствующих возникновению таких негативных явлений, как кавитация, вибрация и шум. Поэтому меры по снижению уровня кавитации и шума следует понимать в двух смыслах:

— устранение кавитации, вибрации и шума в регулирующем клапане для конкретной технологической позиции при конкретных значениях режимных параметров регулируемой среды (расхода, давления, температуры и пр.);

— разработка антишумовых и антикавитационных конструкций регулирующих клапанов, обеспечивающих пониженный уровень кавитации и шума (по сравнению со стандартными конструкциями).

Таким образом, можно говорить о двух подходах к вопросу противодействия кавитации и шуму: управление режимными параметрами регулируемой среды (если это возможно в конкретной технологической ситуации) и применение специальных конструкций. Для решения конкретной технологической задачи могу применяться в самых различных сочетаниях оба этих подхода.

9. Понятия кавитационного и аэродинамического шума.

Принятие уровня шума в качестве параметра регулирующего клапана требует разграничения понятий кавитационного шума и аэродинамического шума. Кавитационный шум относится к течению жидкости и имеет следующие три причины:

— выделение из жидкости растворённого газа при снижении давления в процессе дросселирования;

— вскипание жидкости при снижении давления в процессе дросселирования;

— обратный переход образовавшейся газовой фазы в жидкость при повышении (восстановлении) давления в проточной части клапана после сжатого сечения.

Аэродинамический шум относится к течению газа и имеет причиной трение слоев газового потока относительно друг друга при высоких скоростях течения газа. Под высокими скоростями течения газа будем понимать околокритические и закритические (надкритические) скорости течения.

10. Современные методики расчета уровня кавитационного и аэродинамического шума.

В настоящее время существует большое количество методик определения уровня шума, генерируемого регулирующими клапанами. В большинстве своём – это методики зарубежных фирм, которые разрабатывают и производят регулирующие клапаны. Эти методики в той или иной степени привязаны к конструкциям фирмы. Представляется возможным выделить для последующего анализа методики определения уровня шума, генерируемого регулирующим клапаном, фирм «Fisher Controls» и «Masoneilan».

11. Нормативное оформление метода расчета уровня генерируемого (аэродинамического) шума. Стандарт Международной Электротехнической Комиссии.

Важность вопросов, связанных с шумообразованием при работе регулирующих клапанов, привела к тому, что эта тема стала объектом внимания со стороны Международной Электротехнической Комиссии (МЭК). Международная Электротехническая Комиссия (International Electrotechnic Commission, IEC) – это международная организация, разрабатывающая стандарты по различным вопросам и, в том числе, по системам управления и контрольно-измерительному оборудованию. Ряд стандартов относится к регулирующим клапанам. Стандарты МЭК носят лишь рекомендательный характер, но ведущие зарубежные фирмы, как правило, соблюдают их. Стандарт МЭК IEC 534-8-3 “Control valve aerodynamic noise prediction method” регламентирует методику определения уровня аэродинамического шума, генерируемого регулирующими клапанами.

12. Заключение

Если говорить о необходимости совершенствования системы полевого оборудования, то раздел исполнительных устройств (регулирующих клапанов) требует наиболее значительных и наиболее затратных преобразований. Необходимость столь значительных преобразований можно объяснить следующими четырьмя взаимосвязанными факторами:

Появились на рынке и заняли лидирующее место два новых типа клапанов: клеточные и сегментные. Традиционные двухседельные регулирующие клапаны практически исчезли с рынка полевого оборудования.

Изменился подход к функциональному назначению регулирующего клапана. К функции управления потоками добавилась функция гашения перепада давления. При этом гашение перепада давления должно происходить при малом уровне кавитации и шума. Расчеты уровня кавитации и уровня шума стандартизованы на уровне международных стандартов.

Соответственно, изменились требования к конструкции клапана. Современный регулирующий клапан в проточной части должен включать элементы, предназначенные для рассеяния (диссипации) перепада давления. Таким образом, конструкция клапана должна включать в себя кроме базового исполнения, еще различные исполнения, различающиеся по степени антикавитационной или антишумовой защиты.

Изменилось содержание задачи выбора регулирующего клапана для конкретной позиции. Выбору подлежит не только размер регулирующего клапана, но и исполнение по степени антикавитационной или антишумовой защиты. В соответствии с новым содержанием изменилась методика выбора типоразмера клапана, которая в силу своей сложности требует разработки машинного алгоритма и программы.

В итоге, может быть сформулирована основная рекомендация в части регулирующих клапанов: начать переход от двухседельных клапанов к клеточным. В рамках этого перехода могут быть решены все проблемы, связанные с регулирующими клапанами: кавитация, шум, вибрация, недостаточный диапазон регулирования, неустойчивость подвижной системы клапана и пр.

Диапазон регулирования клапанов

Выполняя свою функцию управления потоком вещества или энергии, регулирующий клапан должен обеспечить изменение расхода в заданном диапазоне. Определим параметр расходной характеристики, называемый диапазоном регулирования. Этот параметр определяется отношением максимального расхода через регулирующий клапан к минимальному регулируемому расходу и обозначается символом εр (эпсилон-эр). Понятие «минимальный регулируемый расход» теоретически не определено, однако на практике принято считать минимальным регулируемым расходом расход при ходе затвора клапана, равном 5% от максимального (условного) хода. В соответствии с этим определением для линейной расходной характеристики диапазон регулирования равен 20.

Однако на практике расходная характеристика не бывает линейной. Ее форма определяется двумя факторами:

— формой пропускной характеристики – зависимости пропускной характеристики Кvy от положения (хода) затвора;

— параметром трубопроводной системы, определяемым отношением перепада давления в линии и на регулирующем органе при полностью открытом клапане (обозначим этот параметр символом n ).

Параметр n является характеристикой трубопроводной системы: сколько в нее входит гидравлических сопротивлений (технологические аппараты, прямые участки трубопроводов, местные сопротивления, запорная арматура), кроме регулирующего клапана. Если n = 0, то это значит, что единственны сопротивлением в трубопроводной системе является регулирующий клапан (ситуация довольно редкая, но возможная). Общепринятая практика устанавливает, перепад давления на регулирующем клапане при полном его открытии не должен быть менее 10% от общего перепада давления в системе (это – предел!). Этот предел соответствует n = 9.

Говоря о форме пропускной характеристики, мы имеем в виду ее параметр, называемый минимальной пропускной способностью. Речь идет о пропускной способности, с которой начинается процесс регулирования. И здесь мы опять-таки используем «правило 5%»: минимальная пропускная способность – это пропускная способность при ходе, равном 5% от максимального (условного) хода. Отношение условной пропускной способности Кvy к минимальной пропускной способности называется диапазоном изменения пропускной способности; обозначим этот параметр символом ε (эпсилон). Таким образом, диапазон изменения пропускной способности зависит от формы пропускной характеристики. Для линейной пропускной характеристики ε=20; для равнопроцентной пропускной характеристики принято считать ε=50. Можно применить специальную дроссельную пару с более высоким значением диапазона изменения пропускной способности. Насколько можно увеличить значение этого параметра, зависит от многих факторов (диаметр седла, условный ход), но в общем случае получить значение ε=100 представляется возможным.

Для конкретной трубопроводной системы диапазон регулирования εр зависит от диапазона изменения пропускной способности ε и от отношения перепадов n:

εр = f(ε,n)

Для жидкости, например, это соотношение имеет вид:

Из этого довольно несложного соотношения можно сделать важные выводы:

— Диапазон регулирования εр всегда меньше, чем диапазон изменения пропускной способности ε.

— Диапазон регулирования εр для клапана с равнопроцентной пропускной характеристикой примерно в 2,5 раз больше, чем для клапана с линейной характеристикой.

— Представляется возможным, по крайней мере удвоить диапазон регулирования (по сравнению с равнопроцентной характеристикой), применив регулирующий клапан со специальной пропускной характеристикой.

И, наконец о применении двухседельного клапана в ситуации, когда требуется высокое значение диапазона регулирования. В силу особенности конструкции диапазон изменения пропускной способности для двухседельного клапана не превышает 25 вне зависимости от формы пропускной характеристики. Поэтому при помощи двухседельного регулирующего клапана высокое значение диапазона регулирования достигнуто быть не может.

Клеточные регулирующие клапана

В 1987 г. в нашей стране было нормативно оформлено появление нового класса регулирующих клапанов. Очередная редакция Государственного стандарта Клапаны регулирующие односедельные и двухседельные. Основные параметры» (ГОСТ 23866-79 ) вышла в свет с изменённым названием Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Основные параметры» (ГОСТ 23866-87) .

Название нового класса клапанов происходит от наименования характерной детали — втулки с перфорациями или профилированным вырезом — клетки. Клапаны, в которых применены такие втулки, стали называть клеточными. При помощи втулки — «клетки» седло фиксируется в корпусе, в некоторых конструкциях седло и клетка выполнены в виде единой детали. Появлению класса клеточных клапанов способствовало создание нового типа прокладок, допускающих повышенные деформации (наиболее распространённым примером таких прокладок являются спирально — навитые прокладки). Применение в конструкции таких прокладок позволило за счёт крепёжных деталей крышки обеспечить уплотнение по двум поверхностям: в соединении корпуса с крышкой и корпуса с седлом. Таким образом, была исключена необходимость в креплении седла в корпусе посредством резьбы или сварки или болтового соединения.

В клеточных регулирующих клапанах пропускная характеристика (зависимость пропускной способности от положения затвора) может обеспечиваться двумя способами:

— за счёт отверстий или вырезов в клетке, выходящих из сопряжения с затвором, перемещающимся внутри клетки (для клеточных клапанов это — стандартный вариант),

— стандартным способом, за счёт изменения площади щели между затвором и седлом (для клеточных клапанов это — специальный вариант, реализованный, например, в хорошо известной конструкции клапанов ПОУ7 — ПОУ9.

Конструкции клеточных регулирующих клапанов относятся, в основном, к группе малых расходов (DN15 и DN20) и средних расходов (DN25 — DN200). Если рассматривать всё количество работающих клапанов и всю потребность в них, то группа средних расходов (к этой группе наряду с клеточными клапанами относятся и двухседельные клапаны) – самая многочисленная. Именно поэтому для пользователей очень важно в качестве регулирующих клапанов средних расходов иметь добротную, гибкую и удобную в эксплуатации универсальную конструкцию. Такую конструкцию имеют клеточные регулирующие клапаны, производимые в настоящее время практически всеми ведущими в данной области зарубежными фирмами среди которых : “Fisher Rosemount”, “Honeywell”, “Valtec Engineering”, “ABB” и многие другие. На мировом рынке регулирующих клапанов клеточные клапаны практически вытеснили, как более совершенные, двухседельне клапаны. В настоящее время выпуск клеточных клапанов многократно превышает выпуск двухседельных. Многочисленные поставки в Россию регулирующих клапанов зарубежных фирм почти не содержат двухседельных конструкций.

Замена двухседельного регулирующего клапана на клеточный может быть произведена непосредственно на трубопроводе без его реконструкции, так как обе конструкции имеют:

— одинаковые присоединительные размеры фланцев;

— одинаковые строительные (межфланцевые) длины;

— близкие диапазоны значений условной пропускной способности Кvy .

При замене двухседельных клапанов на клеточные пользователь может получить дополнительные преимущества при использовании клапанов в различных нестандартных ситуациях. Клеточный клапан — это клапан универсального применения. Универсальность достигается разнообразием вариантов (исполнений) внутренних элементов клапана, в основном — втулки — «клетки».

Клеточные клапаны обеспечивают следующие выгоды и преимущества:

— Удобство эксплуатации, низкие эксплуатационные затраты, возможность по месту изменять характеристики клапана ( пропускную характеристику , Kvy и др. ). По результатам пробной эксплуатации представляется возможным заменой внутренних элементов клапана обеспечить его характеристики, в большей степени соответствующие условиям эксплуатации. В случае перехода установки в режим уменьшенной производительности представляется возможным соответствующим образом уменьшить значения Kvy.

— Высокую герметичность в дроссельной паре, аналогичную односедельным неразгруженным регулирующим клапанам.

— Высокие антикавитационные свойства. Клеточные регулирующие клапаны в стандартном варианте в силу своей конструкции уже обладают повышенными антикавитационными свойствами, однако эти свойства при необходимости могут быть усилены применением специальной геометрии (конфигурации) проточной части.

— Высокие антишумовые свойства ( для случая течения газа при большом перепаде давления ). Эти свойства высоки при использовании втулки с круглыми отверстиями и подаче среды «под затвор», но могут быть дополнительно усилены применением специальной» антишумовой» втулки.

— Высокий диапазон изменения пропускной способности, превышающий стандартные значения. Это свойство представляется весьма важным для управления технологическими потоками с высоким значением диапазона регулирования. По специальному заказу могут изготавливаться клапаны с большим диапазоном регулирования (порядка нескольких сотен).

— На базе клеточных клапанов малых расходов могут быть выполнены клапаны микрорасходов с пропускной способностью от 0,004.

— Высокое значение допустимого перепада давления. Для клеточных клапанов допустимый перепад давления равен, как правило, условному давлению.

В силу своей универсальности клеточные клапаны могут быть применены в самых различных технологических ситуациях и при самых разнообразных технических требованиях потребителя. По оценке специалистов, для перерабатывающих отраслей промышленности (нефтепереработка, нефтехимия, химия и пр.) клеточные клапаны могут закрыть 80 — 90% общей потребности в регулирующих клапанах.

В России освоен выпуск качественных регулирующих клапанов. Эти клапаны включены в производственную программу по крайней мере трёх российских предприятий. Поэтому при переходе на клеточные клапаны перед пользователем встанет задача выбора не только типа клапана, но и поставщика. Ниже представлены факторы оценки конструкции и условий поставки клеточного клапана.

Факторы оценки уровня общепромышленной конструкции и условий поставки клеточного регулирующего клапана с пневматическим мембранно-пружинным исполнительным механизмом:

1.Количество значений условного диаметра DN.

2.Количество значений условного давления PN.

3.Количество значений условной пропускной способности Kvy для каждого значения условного диаметра DN.

4.Возможность для заказчика выбора нестандартного (уменьшенного) значения условной пропускной способности Kvy.

5.Наличие разгруженных и неразгруженных исполнений регулирующих клапанов (различие между ними, в частности, по герметичности в дроссельной паре).

6.Наличие исполнений “дросселирующая втулка” и “дросселирующий плунжер”.

7.Количество типоразмеров (диаметров заделки) исполнительного механизма для одного значения условного диаметра DN.

8.Количество типов пружин (значений перестановочного диапазона) для одного типоразмера исполнительного механизма.

9.Количество антикавитационных исполнений.

10.Количество антишумовых испонений.

11.Наличие выходного (“подпирающего”) каскада в виде самостоятельного изделия.

12.Возможность для заказчика выбора специальной марки материала.

13.Возможность для заказчика выбора специального профиля затвора (например, с повышенным значением диапазона изменения пропускной способности).

14.Возможность для Заказчика выбора комплектации дополнительными блоками (выбор «навески»).

Ретрофит клапанов

Ретрофит – это коррекция конструкции или характеристик регулирующих клапанов по результатам эксплуатации. Обычно ретрофит регулирующих клапанов является частью пуско — наладочных работ при внедрении технологического процесса и проводится после периода пробной эксплуатации. Необходимость ретрофита может быть объяснена двумя причинами:

Регулирующий клапан является наиболее уязвимым звеном контура управления. Он подвергается неблагоприятному воздействию потока регулируемой среды. Датчики также подвергаются воздействию измеряемой среды, но их можно защитить от этого воздействия (первичные преобразователи температуры защищают с помощью защитных гильз или термокарманов, преобразователи давления – с помощью мембранных разделителей, расходомеры – с помощью, например, футеровки проточной части). Кроме того, датчики можно дублировать. Регулирующий клапан не защищен от воздействия регулируемой среды и дублировать его невозможно.

Часто на стадиях проектирования и изготовления оборудования невозможно предугадать режим работы регулирующего клапана; поэтому при включении регулирующего клапана в работу можно столкнуться с неблагоприятными явлениями.

Коррекция характеристик регулирующих клапанов может включать в себя четыре вида операций:

— настройку посредством локальных элементов, предусмотренных конструкцией регулирующего клапана (например, изменение величины предварительного сжатия пружины или давления сжатого воздуха питания);

— настройку (ручную или автоматическую) с помощью программного обеспечения (это относится к интеллектуальным регулирующим клапанам);

— замену деталей или узлов, а также введение внутрь регулирующих клапанов дополнительных элементов (в качестве примера можно указать замену дроссельных пар, введение дополнительных каскадов дросселирования, изменение числа пружин в мембранно — пружинном исполнительном механизме) при условии, что эти меры предусмотрены конструкцией регулирующего клапана;

— меры внешнего характера, не относящиеся к конструкции регулирующего клапана (например, включение регулирующего клапана на байпасе, введение в трубопроводную линию дополнительных каскадов дросселирования, изменение конфигурации трубопровода).

Перечень возможных проблем, которые могут проявиться при запуске технологической установки и относятся к регулирующему клапану, начинается с его размера: клапан оказывается завышенным по пропускной способности. Причина заключается в том, что на разных стадиях проектирования специалисты — расчетчики независимо друг от друга могут вводить несколько коэффициентов запаса:

— технолог вводит коэффициент запаса по максимальному расходу, предусматривая, например, возможность работы на форсированных режимах;

— при подсчете перепада давления на прямых участках трубопровода, местных сопротивлениях и технологических аппаратах обычно вводят коэффициент запаса для компенсации неточности или отсутствия необходимых данных; в результате значение необходимого напора в системе оказывается завышенным;

— расчетное значение необходимого напора увеличивается до ближайшего большего каталожного значения для выбранного типоразмера насоса;

— при расчете необходимой максимальной пропускной способности регулирующего клапана вводят коэффициент запаса;

— расчётное значение максимальной пропускной способности увеличивают до ближайшего большего каталожного значения условной пропускной способности Кvу для выбранного типа регулирующего клапана ( значения условной пропускной способности выбираются из ряда предпочтительных чисел R5 или R10; для ряда R10 переход к следующему значению условной пропускной способности Кvу означает увеличение в 1,25 раза; для ряда R5 переход к следующему значению условной пропускной способности КVУ означает увеличение в 1,6 раза.

Приведенные выше соображения подтверждают объективный характер и высокую вероятность того, что:

— максимальная пропускная способность выбранного регулирующего клапана Кvу оказывается гораздо большей, чем это необходимо, то есть размер клапана по пропускной способности оказывается завышенным;

— при полностью открытом клапане расход регулируемой среды значительно превышает заданное значение;

— при полностью открытом клапане перепад давления на нем значительно превышает расчетное значение.

Завышение размера регулирующего клапана может привести к неблагоприятным последствиям, среди которых:

— уменьшение рабочего хода затвора регулирующего органа (клапан работает на начальном участке полного хода), что может привести к ухудшению качества регулирования;

— повышение неравномерности коэффициента передачи клапана и, в частности, увеличение коэффициента передачи клапана при малых степенях открытия, что может привести к затруднениям при выборе настроек, оптимальных для всего диапазона нагрузок, и к ухудшению качества регулирования;

— уменьшение диапазона регулирования, что может привести к невозможности изменения расхода в заданных пределах, а именно: к невозможности обеспечить минимальный заданный расход.

Коррекция характеристик клапана с целью устранения последствий завышения его размера подробно описана в литературе по регулирующим клапанам; здесь же ограничимся перечислением методов коррекции:

— замена дроссельной пары на пару меньшего размера;

— замена дросельной пары с линейной пропускной характеристикой на пару с равнопроцентной пропускной характеристикой;

— выполнение дроссельной пары со специальной пропускной характеристикой;

— уменьшение рабочего хода затвора.

Повышенный перепад давления на регулирующем клапане также может вызывать неблагоприятные последствия: кавитация (на жидкости), вибрация, шум. Способ предотвращения этих явлений зависит от конкретных условий; здесь же ограничимся перечислением методов коррекции:

— замена стандартной дроссельной пары на антикавитационную или антишумовую;

— введения дополнительных каскадов гашения перепада давления в проточную часть регулирующего клапана;

— применение специальных устройств для гашения перепада давления, выполненных в виде отдельных изделий.

Смысл этих мер заключается в уменьшении перепада давления на дроссельной паре регулирующего клапана до значения, необходимого для управления потоком. Для гашения перепада давления можно использовать и запорные клапаны, однако их конструкция должна быть приспособлена для этого. Традиционный запорный клапан предусматривает работу лишь в двух положениях: полностью закрытом или открытом. Если запорный клапан предназначен для работы в любом промежуточном положении, то его проточная часть должна быть выполнена с учетом требования работы без кавитации и с низким уровнем шума.

Известны случаи существенного снижения и даже подавления кавитации в регулирующем клапане за счет подъема трубопровода после клапана, это приводит к повышению давления после клапана и, соответственно, к уменьшению перепада давления на нем.

Позиционер или преобразователь, что выбрать?

Рассмотрим сначала разницу между этими двумя приборами, предназначенными для управления пневматическими исполнительными устройствами. Задача электропневматического преобразователя – это преобразование стандартного токового сигнала в пневматический сигнал для управления пневматическим исполнительным механизмом. Например, стандартный токовый сигнал 4 — 20 мА преобразуется в пневматический сигнал 0,2 — 1,0 бар или 0,4 — 2,0 бар или в сигнал любого другого диапазона в соответствии с имеющимся давлением сжатого воздуха. Позиционер же является регулятором положения подвижной системы регулирующего клапана и как каждый регулятор он имеет объект регулирования, параметр, задание, сигнал действующего рассогласования и выход (сигнал управления). Объект управления — это исполнительный механизм регулирующего клапана, параметр — положение штока клапана, задание — управляющий сигнал (стандартной природы и диапазона, например, 4 — 20 мА) от системы управления или регулятора, сигнал действующего рассогласования – разница между управляющим сигналом и действительным положением штока, а выход — давление сжатого воздуха, поступающее в рабочую полость исполнительного механизма. Изменяя выходное давление в диапазоне от нуля до давления питания, позиционер обеспечивает соответствие положения штока клапана управляющему сигналу, компенсируя усилия, действующие на подвижную систему клапана (трение в подвижных соединениях, статическое и динамическое воздействие регулируемой среды). Кстати, по-немецки «позиционер» — «Stellungsregler», буквально – регулятор положения.

Прежде, когда применялись, в основном, пневматические регуляторы, тоже нужно было делать выбор: применить пневматический позиционер или обойтись без него, соединив выход регулятора непосредственно с пневматическим исполнительным механизмом. Впрочем, выбор не был обязательным, так как в большинстве конструкций пневматических позиционеров был предусмотрен специальный переключатель, при помощи которого можно было «закоротить» позиционер, соединив импульсную линию от регулятора с рабочей полостью исполнительного механизма. И , имея такой «хитрый» позиционер, уже в процессе эксплуатации определяли предпочтительный режим работы: с позиционером или без него.

Допустим, вы хотите исключить применение электричества в рабочей зоне, где расположен регулирующий клапан, но вы должны управлять этим клапаном от электронной системы управления. В этом случае вы применяете электропневматический преобразователь, а выход преобразователя подаёте либо на пневматический позиционер, либо непосредственно в рабочую полость пневматического исполнительного механизма.

Если вы применяете регулирующий клапан с пневматическим позиционером, и вас это устраивает, но вы хотите интегрировать этот клапан в электронную систему управления, то вы устанавливаете между системой и пневматическим позиционером электропневматический преобразователь.

К этим двум причинам применения электропневматического преобразователя добавляется третья, весьма важная: длительные и многочисленные исследования показали, что для малоинерционных систем управления (например, в случае регулирования расхода жидкости) применение позиционеров является нежелательным, так как ухудшает динамику процесса регулирования. В частности, в таких системах применение позиционера при наличии значительных сил трения вызывает высокую колебательность процесса регулирования. Более благоприятный переходный процесс регулирования может быть обеспечен именно с помощью электропневматического преобразователя. Например, известно, что управление клапанами антипомпажной защиты компрессора осуществляется при помощи электропневматического преобразователя, а не позиционера.

В остальных случаях (кроме трёх перечисленных, когда применение преобразователя необходимо или явно предпочтительно) следует выбирать между позиционером и преобразователем руководствуясь изложенными ниже доводами и соображениями.

Выше было отмечено, что основное назначение позиционера — обеспечить положение штока клапана в соответствии с управляющим сигналом, преодолевая трение в подвижных соединениях (в сальнике, в направляющей втулке и пр.), а также статическое и динамическое воздействие регулируемой среды на затвор. Если противодействующие усилия значительны, как это имеет место, например, при больших перепадах давления на регулирующем клапане, то применение позиционера оправданно и полезно. Ну а если преодолевать нечего? Если эти воздействия на подвижную систему клапана гораздо меньше, чем перестановочное усилие, определяемое произведением давления в рабочей полости исполнительного механизма на эффективную площадь его мембраны? В этом случае и позиционер и преобразователь обеспечат хорошее соответствие положения штока управляющему сигналу.

Интеллектуальные позиционеры, кроме своей главной задачи – регулировать положение штока клапана, позволяют реализовать большое количество дополнительных функций: обзор параметров состояния клапана, автоматическая настройка, диагностика, конфигурирование, моделирование, архивирование. Но существует много систем, где эти замечательные возможности не востребованы. Тогда делают выбор между аналоговым позиционером и преобразователем.

Ниже перечислен ряд дополнительных доводов в пользу применения преобразователей.

— Преобразователи существенно дешевле по сравнению с позиционерами.

— Преобразователи по габаритам и массе меньше, чем позиционеры.

— Преобразователи могут крепиться на корпусе клапана или (в отличие от позиционеров) отдельно при помощи монтажного кронштейна.

— Преобразователь может быть удалён от клапана на значительные расстояния.

— Монтаж, наладка и ремонт преобразователей существенно проще и требуют меньших трудозатрат и менее квалифицированного персонала.

Перечисленные доводы и соображения позволяют сделать вывод, что электропневматические преобразователи имеют свою «нишу», где их применение предпочтительнее по сравнению с позиционерами.

Заслуживает внимания и общемировая практика: из общего объёма продаж позиционеров и преобразователей 71% приходится на позиционеры и 29% — на преобразователи.

К сожалению, российская традиция пока ещё отличается от общемировой практики. Здесь проектировщики применяют для управления регулирующими клапанами преимущественно позиционеры, а преобразователи — мало и неохотно. Возможно, появление специальной публикации по данному вопросу будет способствовать исправлению подобного перекоса.

Современные требования к приборам

Полевое оборудование по каждой технологической позиции в силу своего назначения (обеспечение обмена информацией между объектом управления и системой) должно соответствовать, с одной стороны, режимным параметрам и условиям эксплуатации по данной позиции и, с другой стороны, требованиям, предъявляемым системой управления или учёта. Если такое двойное соответствие обеспечено, то контрольно-измерительный прибор или исполнительное устройство (регулирующий клапан) выбран правильно.

Представляется возможным сформулировать в обобщённом виде современные требования к полевому оборудованию, при этом полезно разделить (в значительной степени – условно) эти требования на «традиционные» и «новые». К основным «традиционным» требованиям отнесём:

— точность,

— надёжность,

— возможность настройки прибора или регулирующего клапана в соответствии с изменениями технологической ситуации,

— нормативное и аппаратное обеспечение метрологического контроля состояния оборудования (поверки).

К «новым» (дополнительным) требованиям отнесём:

— повышенная (по сравнению с традиционными требованиями) точность,

— повышенная (по сравнению с традиционными требованиями) надёжность,

— повышенные возможности настройки прибора или регулирующего клапана в соответствии с изменениями технологической ситуации,

— возможность оперативной проверки состояния (статуса) прибора или регулирующего клапана,

— возможность оперативной поверки или калибровки изделия в целом или отдельных его элементов,

— возможность математической обработки результатов измерения,

— возможность совмещения функций контрольно-измерительного прибора и регулятора,

— возможность дистанционного задания или изменения конфигурации,

— возможность архивирования данных.

Укажем сразу, что перечисленные «новые» требования могут быть реализованы за счёт (и только за счёт) применения «интеллектуальных» контрольно- измерительных приборов и исполнительных устройств (регулирующих клапанов). «Интеллектуальными» устройствами являются устройства, обладающие вычислительными мощностями (микропроцессором) и средствами цифровой коммуникации. Именно поэтому интеллектуальные устройства обладают повышенными возможностями по сравнению с аналоговыми. Действительно, назначение аналогового устройства – сформировать сигнал стандартной природы и диапазона (например, токовый сигнал 4 — 20 мА) в соответствии со значением технологического (режимного) параметра. Когда такой сигнал поступает в систему управления, то не представляется возможным оценить его достоверность. В отличие от аналоговых устройств, интеллектуальные устройства в общем случае предоставляют следующие дополнительные возможности:

мониторинг: по запросу системы или периодически устройство формирует цифровой сигнал с техническими данными устройства (идентификационный номер, технические характеристики, настройки и пр.);

проверка состояния (статуса): по запросу системы устройство формирует сигнал о работоспособности или отказе;

диагностика: по запросу системы устройство формирует сигнал о состоянии его отдельных узлов;

конфигурирование: через линию связи устройства с системой может быть произведено задание настроек и уставок устройства или же их изменение.

При выборе интеллектуальных приборов Пользователю приходится решать вопрос выбора способа и средства коммуникации. Коммуникация может осуществляться через персональный компьютер с помощью соответствующего программного обеспечения или с помощью ручного коммуникатора с соответствующей программной «начинкой». Выбор предпочтительного варианта зависит от многих факторов: количество типов оборудования, количество единиц оборудования каждого типа и пр.

Ещё одно важное свойство современного полевого оборудования — блочно-модульный принцип конструкции. Прибор состоит из сменных модулей. Модуль обеспечивает определённые свойства или характеристики. В процессе эксплуатации можно изменять набор модулей, адаптируя прибор к новой ситуации или новым требованиям.

Нельзя не отметить, что рынок полевого оборудования чётко отреагировал на внедрение и распространение сетевых технологий. Большинство ведущих фирм-производителей полевого оборудования включило в свои производственные программы приборы или модули, поддерживающие сетевые протоколы.

В заключение отметим ещё одно важное и весьма полезное для Пользователя направление в разработке полевого оборудования. Полевое оборудование становится многопараметрическим, то есть служит для измерения более одного параметра. Это предоставляет Пользователю новые возможности. Например, измеряя перепад давления, абсолютное давление и температуру газа, интеллектуальный преобразователь определяет массовый расход газа или объемный расход, отнесенный к нормальным условиям.

Техническое обслуживание ограничителя уровня налива

В данной статье вы можете ознакомиться с: операциями, проводимыми при техническом обслуживании ограничителя уровня налива; нормами времени на выполнение операций; стратегией технического обслуживания ограничителя уровня налива.

Операции	Разряд	Время выполн. (час)	Стратегия ТО
Внешний осмотр: проверка отсутствия механических повреждений, удаление загрязнений.	4	0,06	ТО3
Проверка герметичности соединений датчика.	4	0,13	ТО3
Проверка герметичности запорного клапана и состояния прокладок сальника.	4	0,16	ТО3
Проверка работы демпфера, доливка масла в демпфер.	4	0,53	ТО3
Проверка технического состояния запорного механизма, качества фиксации рычага управления и надёжности зацепления.	4	0,18	ТО3
Проверка и настройка датчика.	4	0,27	ТО4