Для регулирующих клапанов наиболее часто основой закона регулирования являются расчеты расхода по падению энергии. При этом основные решения основаны на расчете дросселирующего эффекта. В то же время современные подходы предполагают переход на расчеты по пропускной способности регулирующего органа. Это позволяет в значительной степени улучшить качество регулирования. Однако это предопределило и существенно более расчетный, предсказательный характер определения расходных характеристик потока. Расчетный и алгоритмический характер рассматриваемых характеристик способствовал более легкой автоматизации процесса. Таким образом, несмотря на значительно более непосредственный и простой характер расчета по эффекту дросселирования и разработки алгоритма регулирования по изменению в потерях энергии, более сложные расчетные показатели через расчет параметров расходных характеристик и пропускной способности заняли свое место в системах регулирования. Основой этой замены стало повышение качества регулирования и требование большей информативности процесса, учета множества дополнительных характеристик. Переход к информационно-измерительным системам с включением в него клапана становится более отчетливым.

Регулирующие вентили, как правило, используются на линиях с ручным управлением со стабилизированным, установившимся режимом работы. Для выполнения командного сигнала вентили часто приходится делать двухседельными, что снижает стабильность регулирования.

Качество регулирования до настоящего времени определяют по классу точности. На отечественных предприятиях используют классы точности 2,5; 4,0; 6,0, см. табл.2.2.

Табл. 2.2. Классы точности регулирующих клапанов

В существующих стандартах класс точности регулирующих клапанов с позиционером должен быть не ниже 2,5. Чтобы проконтролировать соответствие хода регулирующего клапана, определяется значение основной погрешности, порога чувствительности и вариации хода штока. Эти параметры оцениваются по ходовой характеристике регулирующего клапана на полностью собранном и отрегулированном изделии при незаполненном средой корпусе и сальнике, обеспечивающем герметичность подвижного соединения штока при условном давлении Ру. Сигнал при этом проверяется с точностью +– 0,4% от максимального значения, перемещение – с точностью +-0,5% от номинального хода штока.

Основная погрешность регулирующего клапана определяется следующим образом. На входной штуцер мембранно-исполнительного механизма (МИМ) подают управляющий воздух под определенным давлением. Диапазон изменения управляющего давления разбивают на 8-10 равных частей и при каждом его значении фиксируют положение штока. Испытание проводят при прямом и обратном ходе; для каждого значения управляющего давления находят приведенный ход, после чего определяют разность действительного и приведенного ходов.

Основную погрешность определяют как отношение, выраженное в процентах, наибольшей разности действительного и приведенного хода к номинальному ходу штока.

Δ=(Sд – Sп)\Sн) х100%

Порог чувствительности определяют при значении управляющего давления, равном 20, 50 и 80% от его полного диапазона. При испытании давление плавно увеличивают до установленного значения, фиксируют его и затем плавно повышают управляющее давление до заметного трогания штока регулирующего клапана. Новое значение управляющего давления фиксируют, а затем определяют разность зафиксированных значений. Испытание повторяют при плавном уменьшении управляющего давления и определяют новую разность зафиксированных значений. Порог чувствительности определяется как отношение, выраженное в процентах изменения управляющего давления, вызывающего заметное трогание штока к диапазону управляющего давления.

При каждом значении управляющего давления находят разность между действительными значениями прямого и обратного ходов штока (вариации хода штока называют гистерезисом). Вариацию определяют как отношение, выраженное в процентах, наибольшей разности между значениями прямого и обратного ходов штока при одном и том же значении управляющего давления к номинальному ходу.

Наибольшее распространение среди регулирующих клапанов с линейным движением штока занимают регулирующие двухседельные вентили. Допустимый порог чувствительности таких клапанов составляет не более 3Па. Пропускная характеристика может быть как линейная, так и равнопроцентная. Заменяемость двухседельных клапанов на поворотные шаровые регулирующие клапаны приведена ниже, табл. 2.3.

Табл. 2.3. Заменяемость двухседельных вентилей на поворотные шаровые краны компании Метсо

* Окончательная возможность замены определяется расчетом.

** Возможность замены угловых клапанов зависит от расчетного перепада давлений.

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

Чтобы обеспечить точность выполнения командного сигнала с минимальной погрешностью, клапан должен быть спозиционирован. Для этого служит позиционер. Основной проблемой регулирования без применения позиционеров было значительное рассогласование хода штока по отношению к управляющему сигналу.

Позиционер представляет собой устройство, предназначенное для управления перемещением штока строго пропорционально командному давлению путем использования обратной связи по положению штока. Общим принципом работы позиционеров является компенсация усилия в чувствительном элементе позиционера. При этом исключается влияние сил трения, неуравновешенности штока и плунжера, и сводится к минимуму рассогласование между командным давлением и действительным ходом плунжера. Если этого не проводить, то рассогласование может достичь 30%, что характерно для регулирующих вентилей с мембранным исполнительным механизмом. Пневматические позиционеры позволяют уменьшить рассогласование до 1,5 -2%, снижают запаздывание регулирующих клапанов, поскольку их объем во много раз меньше мембранной камеры МИМ. Основная система управления при этом пневматическая. Каналы пневмосетей также являются в значительной степени инерционными.

Для повышения качества связи между позиционером и системой автоматического управления, начиная с 60-х годов, широко использовались системы управления, основанные на передаче электрического командного сигнала. В электропневматических позиционерах, работающих на аналоговом принципе, электрическое реле переводит пневматический сигнал в электрический. Этим значительно повышается точность позиционирования. Следующей ступенью стали позиционеры, работающие по протоколу HART, переводящие аналоговый сигнал в цифровой. При этом качество сигнала и помехоустойчивость сетей в значительной степени повысилась. После освоения протоколов HART, в последнее время появились цифровые позиционеры, работающие по исключительно цифровым протоколам, таким как Profibus, FFBи др. Их основой является непосредственное преобразование сигналов от сенсоров в цифровой сигнал.

Сам позиционер стал насыщаться сенсорами, поскольку цифровой канал связи обеспечил большие возможности для реализации, как алгоритмов регулирования, так и собственной диагностики.

Интересно отметить, что промежуточной формой внедрения позиционеров и большего перехода к цифровым системам стали цифровые позиционеры, устанавливаемые на регулирующих вентилях с линейным ходом штока и мембранным исполнительным механизмом. В дальнейшем, после освоения цифрового позиционера оптимальным станет замена регулирующих вентилей с линейным перемещением штока на поворотные регулирующие клапаны. Для вентилей и задвижек с Ду более 100мм требуются специальные рычажные передачи с большим количеством механических звеньев, обязательна ступенчатая регулировка передаточного отношения, поскольку, только благодаря этому, выходное звено арматуры с линейным ходом штока получает увеличенный ход. Из-за значительного нарастания погрешностей в связи с множеством механических передаточных звеньев, длинного хода штока переход на регулирующие поворотные клапаны с позиционерами оптимально производить с указанного диаметра.

РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОВОРОТНЫЕ ЗАСЛОНКИ

Регулирующие заслонки находят применение вплоть до давлений 6,4МПа, Ду 400мм и предназначаются для регулирования расхода пара. Ранее они применялись при температуре не более 425^оС. Их работоспособность в прошлом также ограничивалась перепадом давлений на рабочем органе и составляла не более 0,025МПа. В настоящее время при использовании заслонок с эксцентриковым смещением удается значительно повышать допустимый перепад давлений.

ЗАМЕНА РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ

Регуляторы давления – это автоматическая арматура с линейным движением штока, с чувствительным элементом, которым выступает резиновая мембрана. Формирование силового воздействия осуществляется нагружением грузом или пружиной. Действие регулятора происходит за счет использования энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу. При изменении давления на участке трубопровода, настроенная пружина отрабатывает степень открытия регулирующего органа регулятора до тех пор, пока не восстановится исходная величина давления.

Для регуляторов используются в основном только тарельчатые двухседельные клапаны с мембранным рычажно-грузовым приводом. Этим обусловливается то, что ход штока будет незначителен. Расчетная длина хода составляет не более 0,15 диаметра отверстия в седле клапана.

Проблемой использования мембранных приводов является то, что они одновременно являются и приводом, и чувствительным элементом. Поэтому их применение возможно только для малых диаметров арматуры, где погрешность движения привода близка к погрешности чувствительного элемента. Применение формованной мембраны большого диаметра нецелесообразно, поскольку такая мембрана является элементом повышенной чувствительности, и при малых изменениях давления будет приводить к резким перемещениям штока с большой амплитудой и ударам плунжера о седло. Для решения проблемы применяют малую плоскую мембрану. Однако она создает менее чувствительную систему за счет повышения жесткости. Достигаемая характеристика в большей степени может быть приближена только к пропорциональной. Однако это происходит за счет повышения неравномерности величины отрегулированного давления. Таким образом, применение прямых регуляторов для трубопроводов крупного диаметра ограничено.

Точность работы регулятора давления характеризуется степенью неравномерности, определяемой отклонением действительной величины отрегулированного давления в процентах от номинальной настроенной. Несовпадение этих величин вызывается тем, что с повышением расхода повышается отрегулированное давление в зависимости от жесткости мембраны и пружины привода. На точность работы регулирующего клапана и регулятора давления оказывает влияние и порог чувствительности, определяемый минимальной величиной изменения давления, необходимой для того, чтобы плунжер изменил свое направление на обратное. Замена регуляторов на регулирующие клапаны для целей повышения точности и управляемости режимом работы контура регулирования является актуальной задачей.

Задачами, которые могут решить регулирующие клапаны при установке взамен регуляторов, могут быть: уменьшение степени неравномерности действий (для регуляторов они составляют до 20% даже для Ду 50-80мм) при пороге чувствительности 0,03-0,05МПа, повышение точности регулирования, быстродействия, снижение запаздывания.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ АРМАТУРА

В энергетике существует ряд контуров, где при нарушении нормального хода технологического процесса требуется быстро отключить подачу среды. Основной проблемой является необходимость выполнения жестких требований, как правило, нормируемых надзорными организациями по скорости закрытия – открытия затвора. В частности, для многих узлов быстрой и аварийной отсечки нормируются значения времени открытия-закрытия от 0,5 до 1-2 сек. К ним относятся, например, клапаны быстрой отсечки турбин, байпаса, антипомпажа, защиты в горелочном оборудовании, участки аварийной отсечки и вентилирования.

В состав защитной арматуры могут входить поворотные отсечные клапаны. Ими являются, как правило, поворотные заслонки с пневмо и электроприводом. Они успешно заменяют собой отсечные клапаны с линейным движением штока с мембранным исполнительным механизмом. Основной причиной является значительно меньший ход штока при повороте, по сравнению со значительной длиной хода штока при закрытии, например, при помощи задвижки или вентиля.