Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике» - читать онлайн

2.1. Запорная арматура

Еще в 70-х годах применение задвижек и вентилей было распространено значительно шире, чем поворотных заслонок (Прим. В настоящее время, их заменяют на термин "поворотные дисковые затворы") и шаровых кранов. Применение поворотных заслонок ограничивалось температурой не более 100^оС. Это было связано с применением преимущественно резиновых уплотнений, неотработанностью конструкций, отсутствием решений для потоков с повышенными параметрами, малой долей автоматизации и большой долей ручного труда, для которого характерны простые способы отсечки и регулирования потока.

Сегодня поворотные заслонки уже способны выдерживать температуры не менее 600^оС при давлениях свыше 400 Бар (заслонки компании MAPAG, отделение Metso Automation) с герметичностью, соответствующей классу 1 по ГОСТ 9744 в обоих направлениях. Вместо обычных резиновых прокладок используется широкий спектр мягких уплотнений, способных выдерживать температуры до 260^оС без потери герметичности. Металлические уплотнения дали возможность применять заслонки в условиях абразивных, сильно загрязненных сред, в т.ч. пара и воды, с повышенным содержанием соли.

Решение проблемы герметичности поворотных заслонок было осуществлено при переходе от безэксцентрикового исполнения, не гарантирующего достаточную герметичность, сначала к одноэксцентриковому уплотнению, и далее к двухэксцентриковому уплотнению, и, для наиболее сложных случаев – к трехэксцентриковому уплотнению. Последнее гарантирует герметичное уплотнение по VI классу. Их существенное достоинство по сравнению с применяемыми клиновыми задвижками состоит в минимальном весе и габаритах. Вес поворотных заслонок в 1,5 – 3 раза меньше по сравнению с задвижками. Малая строительная длина создает возможности для уменьшения общей протяженности трубопроводов и сокращения расходов на потребление насосами.

Можно выделить несколько основных направлений замены клиновых и шиберных задвижек поворотными заслонками:

1. В условиях, где критичны размеры, в частности, крупные диаметры трубопроводов. Начиная с условного прохода 400мм, строительная высота поворотной заслонки, включая привод, может быть в 1,5-5 раз меньше. В частности, для компактных трубопроводных обвязок и агрегатированных арматурных блоков более применимы малогабаритные поворотные заслонки.

2. В условиях, где требуется не только отсечка, но и регулирование. Поворотные заслонки обладают значительно более высокой способностью к регулированию по сравнению с задвижками.

3. В условиях, где важна сочетаемость с системами автоматизации и простота автоматизации. Равнопроцентная расходная характеристика поворотных заслонок позволяет значительно облегчить формирование алгоритма регулирования и привести характеристики к линейным. Поэтому поворотные заслонки значительно более просто автоматизируются.

4. В условиях, где критичен вес арматуры. В частности, это могут быть устройства, подверженные сильной вибрации, или работа которых зависит от уровня сейсмичности, а также в условиях, где требуется сертификация по сейсмостойкости, например, для крупных ТЭС и АЭС.

5. В условиях, где критична стоимость арматуры. В связи с тем, что стоимость металла в арматуре может достигать 70%, снижение веса является одним из главных способов общего снижения стоимости арматуры. В частности, значительный успех титановых поворотных заслонок при перекачке агрессивных сред, даже с наличием взвешенных частиц по сравнению с титановыми задвижками, связан с тем, что они имеют меньший вес и, соответственно, меньшую стоимость.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНЫХ ЗАСЛОНОК ВМЕСТО ЗАДВИЖЕК

Ниже показаны сводные характеристики преимуществ применения поворотных заслонок вместо задвижек, табл.2.1.

Табл. 2.1. Преимущества применения поворотных заслонок по сравнению с задвижками

ПРИМЕНИМОСТЬ ПОВОРОТНОЙ АРМАТУРЫ В ТЕПЛОВЫХ СХЕМАХ ТЭС и АЭС

Хотя тенденция к замене задвижек и вентилей, безусловно, прослеживается, однако, поворотная арматура не заменяет многие специализированные виды арматуры. В частности, это специализированная арматура, включая предохранительную, защитную, распределительную, смесительную и т.п.

Однако с ростом автоматизации будет заметен перевод ряда типов арматуры из простых регуляторов на принудительное регулирование. Оно происходит посредством выполнения команд управления, идущих от системы автоматизации, а не только от прямых регуляторов, осуществляющих саморегулирование процесса. Таким образом, например, уже начался перевод регуляторов прямого действия на горелочном оборудовании на применение регулирующих клапанов, как правило, поворотного типа, действующих не от настроенного на определенный параметр давления МИМ (Мембранного Исполнительного Механизма), а от команды системы управления.

В предохранительной арматуре выделяется подсегмент арматуры быстрого срабатывания (быстроотсечная арматура), где применение поворотных клапанов, в большей степени поворотных заслонок, было бы наиболее эффективно.

Развитие пассивных систем безопасности, как и систем активной защиты уже приводит к долговременной тенденции замены арматуры с электроприводом на пневмоприводную арматуру. Переход к поворотной арматуре от арматуры линейно-поступательного перемещения штока в этом случае обусловлен тем, что сама конструкция поворотной арматуры предполагает выполнение командного сигнала всего лишь при повороте на 1/4. Поворот всего на 1/4 полного оборота также создает возможности для применения простых предохранительных устройств на основе поворотных шаровых кранов и поворотных заслонок, срабатывающих от повышения температуры окружающей среды на основе простого действия пружины небольшого хода. Этого невозможно достичь при использовании задвижек, или приходится значительно усложнять приводную часть арматуры.

Далее, в соответствующих разделах, приводятся основные параметры замены арматуры, наиболее часто применяемой в энергетике на поворотную арматуру. Здесь и далее в качестве примеров применения поворотной арматуры будет приводиться арматура производства Metso Automation, хорошо знакомая автору.

2.2. Регулирующая арматура

СРАВНЕНИЕ ПОВОРОТНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

В энергетике широкое применение находит регулирующая арматура. До сегодняшнего дня в качестве регулирующей арматуры наиболее широко используют регулирующие вентили и задвижки. Значительную часть контуров регулирования обслуживают регуляторы давления прямого действия. В системах энергетики регулирующие клапаны обслуживают различные контуры, где регулируемым параметром выступают расход, температура, давление, концентрация и т.п.

ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

В технических решениях по оснащению клапанами необходимо стремиться к минимальной колебательности процесса и отсутствию отклонений от оптимального диапазона регулирования клапана. Причины высокой колебательности регулирующих контуров могут быть разные – и неправильный расчет и выбор клапана, и недостатки монтажа, и плохая настройка клапана и позиционера, помехи и чрезмерные отклонения в процессе. Дороговизна колебательности заключается в потере продукции, внеплановых остановах, снижении эффективности процесса и высоком взаимовлиянии сопряженных контуров.

Выбор регулирующих клапанов долгое время основывался на различных приблизительных оценочных методах и имеющемся опыте. Для восполнения недостатка в точном и быстром выборе разрабатываются методики расчета и выбора регулирующих клапанов. Благодаря этим методикам можно выбрать наилучший вариант клапана по точности регулирования и регулирующим свойствам для конкретных условий эксплуатации. Методика расчета основана на графиках, расходной характеристике и коэффициенте усиления установленного клапана.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА

СОБСТВЕННАЯ ПРОПУСКНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Оптимальный выбор регулирующего клапана по размеру и типу начинается с собственной пропускной характеристики клапана. В этом отношении пропускные характеристики клапанов тщательно измеряются в различных испытательных лабораториях.

Характеристики клапана замеряются в условиях, когда перепад давления постоянен. В этом случае величина потока, проходящего через клапан «q» пропорциональна его коэффициенту пропускной способности Сv. Так как коэффициент пропускной способности клапана выражает со своей стороны эффективную величину поперечного сечения потока, то по характеристике клапана можно видеть, что эффективность поперечного сечения потока меняется в функциональной зависимости от степени открытия «h» клапана.

На рис.2.1. представлены пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

Рис. 2.1. Пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

1,2,3,4, – разные условия работы клапана

РАСХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

На практике регулирующий клапан – это часть технологического трубопровода. Перепад давления в зоне открытия клапана редко постоянен, т.к. при росте величины потока вследствие динамических потерь давление потока на входе клапана падает, а на выходе увеличивается. Поэтому зависимость величины потока q от степени открытия клапана h (вид установочной характеристики) есть функция, как технологического трубопровода, так и собственной пропускной характеристики клапана. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан, установленный в технологическом трубопроводе, показан на рис.2.2.

Рис. 2.2. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан

Природу технологического трубопровода описывают характеризующие коэффициенты D_р1 и D_p2, где нижними индексами определены условия потока, при которых клапан полностью открыт (f) или открыт для обеспечения максимальной величины потока (m) требуемой проектом. Коэффициенты D_pm можно рассчитать по формулам:

D_pm=d_pm\d_po (1)

D_pi=d_pi\d_po

Где d_po – перепад давления при закрытом клапане.

Тип технологического процесса можно рассчитать, когда известны, по меньшей мере, два различных условия потока, или известны описывающие природу трубопровода коэффициент D_pm и условия максимальной величины потока.

На рис 2.3. представлена рассчитанная по программе установочная характеристика для клапана Q –ball для одного технического решения, требующего понижения давления. В данном решении применен шаровой клапан Q-ball с верхним входом, сечение трубопровода 100 мм. По программе можно также рассчитать скорость потока на выходе и уровень шума в зоне действия регулирующего клапана в целом. Особенность использованного в данном случае решения Q- ball – чрезвычайно широкий диапазон регулирования, что выражается в очень хорошей расходной характеристике.

Рис. 2.3. Установочная характеристика для клапана Q-Ball производства Metso Automation для значительного перепада давления. Расчет по программе NELPROF

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Достоинства расходной характеристики клапана в отношении возможностей и точности регулирования можно определить при помощи кривой усиления. Кривая усиления клапана описывает изменение углового коэффициента установочной характеристики в зависимости от степени открытия клапана. Усиление установленного клапана есть отношение изменения величины потока dQ_p к изменению степени открытия dh.

G=dQ_p\dh (2)

Где Q_p – проходящая через клапан относительная величина потока (Q=q\q_m)

По формуле 2 можно определить изменение величины потока. Изменение величины потока есть усиление, умноженное на изменение степени открытия клапана.

Усиление установленного клапана – отправной момент при выборе оптимального размера и собственной пропускной характеристики регулирующего клапана для определенного технологического решения. Выбор клапана по его внутренней характеристике необходимо проводить так, чтобы его регулировочная способность сохранялась оптимальной и неизменной независимо от изменения нагрузки в рабочем диапазоне. На практике разные участки в области регулирования стараются сделать линейными в рабочем диапазоне технологического процесса. Тогда и усиление установленного клапана будет наиболее вероятно постоянным в рабочем диапазоне технологического процесса.

Для относительного усиления установленного клапана действительно правило, согласно которому в диапазоне регулирования усиление должно быть не более 0,5, а его изменение может быть лишь немногим более 2. Если установочное усиление не отвечает названным условиям, необходимо вместе с изготовителем тщательно исследовать динамику регулирующей способности во всем диапазоне регулирования. Если усиление данного клапана слишком низкое, высокое или оно сильно колеблется в рабочем диапазоне технологического процесса, это, как правило, доставляет трудности в отношении регулирующих устройств. С другой стороны, слишком высокое усиление клапана затрудняет точность регулирования, так как для степени погрешности в величине потока клапана действительна формула: относительная степень погрешности по потоку есть усиление, умноженное на степень погрешности открытия клапана.

DQ_r=Gdh_r. (4)

На рис. 2.4. представлена соответственно рис. 3 кривая усиления регулирующего клапана Q-ball. Из рис. 2.4 видно, что, благодаря собственной пропускной характеристике клапана Q-ball достигается почти постоянное усиление в рабочем диапазоне регулирующего клапана. Кроме того, низкое усиление означает на практике прекрасную точность регулирования.

Рис. 2.4. Кривая усиления регулирующего клапана Q-ball

Таким образом, понимая особенности процесса при протекании рабочих сред через клапан и характеристики регулирования, уже на первоначальном этапе можно добиться оптимального выбора клапана с высокими характеристиками, и, соответственно, его более высокой эффективности в работе.

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.

2.3. Критерии выбора арматуры

ТОЧНОСТЬ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ

К сожалению, до сих пор задача обоснования точности контуров недостаточно освещена в литературе и проработана. В связи с этим в предлагаемом материале делается попытка показать связь между точностью регулирующего клапана, точностью контура и накоплением погрешности в процессе эксплуатации. При этом необходимо учитывать взаимосвязь между контурами, научиться просчитывать накопление ошибок регулирования и возможность их снижения уже на этапе проектирования. Специалисты до сих пор не умеют считать заданные погрешности по контурам с точностью, требуемой по технологическому процессу.

Таким образом, при поставке оборудования, в проектные решения закладываются исходные данные по оборудованию без просчета возможностей повышения точности процесса. Сам процесс на этапе проектирования, как правило, не оптимизируется по критерию снижения погрешности регулирования. В то же время, такие расчеты позволили бы уже на этапе проектирования выявить критические контуры регулирования и дать по ним более эффективные решения с повышением стабильности, точности и качества технологического процесса.

В типичном контуре (объект управления – сенсор – логический элемент (задатчик)– исполнительный механизм – регулирующий орган (клапан)) главным источником погрешности по определению является регулирующий клапан. Это становится очевидным при рассмотрении степени задаваемой погрешности датчиками при сравнении со степенью отработки сигнала регулирующим клапаном. И действительно, по здравому смыслу, точность «инструмента» (датчика или сенсора) должна быть всегда выше точности «обрабатываемого изделия» (в нашем случае регулирующего клапана).

В этих материалах мы попытаемся обосновать необходимость проведения таких расчетов и оптимизации, как уже действующего производства, так и при проектировании.

ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

Обычно, когда метрологи и технологи говорят о процессе, то подчеркивается важность экспериментального опробования, плотных испытаний, накопления статистических данных по результатам первичной эксплуатации. Это важно потому, что при переходных условиях или, пока еще процесс не стабилизировался и не вышел на режим, то говорить о возможности оптимизации не приходится. Для разрешения ситуации говорят о возможных погрешностях на основе прошлого опыта. Например, по опыту выделяют критические контуры регулирования и оценивают их с точки зрения вероятности изменения и замены регулирующих органов на более точные. Для энергетики проблема осложняется еще и тем, что сами контуры регулирования по критерию критичности могут быть не только связаны с качеством выходных характеристик, но и с поддержанием множества вспомогательных, дополнительных или косвенных характеристик. Также должны учитываться показатели надежности, долговечности и долговременной точности регулирования, которую по-другому можно назвать метрологической надежностью. Регулирующие клапаны, обладая рядом метрологических характеристик, таких как статическое и динамическое отклонение, мертвая зона и др., должны рассчитываться на точность регулирования в регулирующем контуре.

В тепловых процессах, также как и всех химических и гидромеханических процессах, действуют множество факторов. Сложность их взаимодействия приводит к традиционному взгляду, что оценить точность регулирования невозможно. Но есть ряд приборов и инструментов, которые позволяют снять значительную часть неопределенности и перевести ее в более структуризованные и измеряемые формы процесса, как за счет автоматических анализаторов, так и специальных приборов. Например, при оценке пульсаций можно эффективно использовать вибродиагностические приборы. Благодаря математическому аппарату, заложенному в них, они разлагают спектр пульсаций в ряды Фурье, после чего появляется ясная возможность сравнивать их с пульсациями, задаваемыми конкретными узлами. Например, самые большие пульсации могут задавать насосы. А среди рассматриваемых узлов, задающих пульсации, могут выступать и вакуумные системы, и вибрация трубопроводов, и колебания расхода, характерные для пароконденсатных и двухфазных смесей и др. Говоря языком теории точности, в этом случае удается выделить из генеральной совокупности элементов смесь распределений и после их анализа в отдельности синтезировать общую картину точности по пульсациям.

Таким же образом можно рассматривать и более сложные процессы с множеством входных и выходных характеристик. Для этих целей все чаще должны использоваться средства САПР, синтезирующие различные сочетания накопления ошибок и погрешности в последовательном и параллельном проведении технологического процесса и оптимизирующие контуры регулирования по критерию минимальной погрешности заданных технологических параметров. Такой подход позволяет решать задачи синтеза размерных цепей допусков технологического процесса более совершенными средствами и оптимизировать их для конкретной постановки задачи.

Так, по результатам «размерного» анализа накопления погрешностей можно выделить критические контуры, с увеличивающимися звеньями и высоким передаточным отношением и оптимизировать их, предложив более точное исполнение клапана, с более совершенным приводом и позиционером. При проверке спецификации клапанов при проектировании технологической схемы критические участки выделяются и рассматриваются отдельно. Для них производится перерасчет с целью повышения точности и метрологической надежности. Для крупных предприятий, это эффективно еще и с точки зрения развития диагностики, унификации и сервисного обслуживания. По мнению авторов, такой подход эффективен при рассмотрении проблемы точности в контексте надежности и коммерческий эффективности, например, при замене спецификации разнородных клапанов, предлагаемых компаниями, специализирующихся на какой-либо части технологического процесса на унифицированные «диагнозопригодные» решения от одного производителя арматуры.

Говоря о традиционных способах устранения отклонений процесса, обычно приводят возможностях системы автоматизации. Однако, это не всегда так. Если, например, погрешность выполнения задания регулирующим клапаном выше допуска, задаваемого системой автоматизации, то клапан не сможет поддерживать задание в точности. Результатом станет как большая колебательность процесса, так и неэффективная автоколебательная работа самого клапана.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рассмотрим для начала основные определения, которые необходимы для рассмотрения процессов регулирования с точки зрения теории точности. Основными участками рассмотрения будут – точность при проектировании технологических схем, контура регулирования и самого клапана, в эксплуатации, измерении и контроле.

Выходные характеристики. Это те показатели, которые обеспечивают необходимый уровень работоспособности, долговечности, надежности, ремонтопригодности, устойчивости и других критериев качества. Они отличаются от служебных или эксплуатационных характеристик, поскольку этот показатель шире и включает и негативные выходные характеристики, возникающие в процессе эксплуатации. Например, спектр частот и собственная виброактивность клапана могут быть названы только выходной характеристикой, поскольку ни служебной, ни эксплуатационной не являются.

Выходные характеристики – это допуск на параметры технологического процесса, зависящие от клапана. Например, для клапана питательной воды – это допуск на расход готового пара после ее испарения. Для технологической схемы с участием клапанов и ограничениями на минимальное влияние других факторов – это может быть дополнительно и допуск на устойчивую работу последующих контуров, например, при каскадном дросселировании пара. В этом случае необходимо рассмотреть другие контуры регулирования, вносящие свой вклад в формирование свойства. Например, зная влияние гидразина на свойства воды, можно рассмотреть, какие контуры регулирования влияют на процесс, и как погрешность регулирования выводит процесс за допустимые рамки, приводя либо к избыточности добавки химикатов, либо к ухудшению качества воды или срывам режима. Для этих целей хорошо работает теория вкладов в теории точности. Также могут быть рассчитаны уравнения регрессии или найдены экстремумы свойств. Говоря языком химии, могут быть найдены участки допусков, максимально сочетающиеся с центром процесса, где свойства оптимальны и эффективность регулирования наиболее высока. Тогда можно уйти от краев процесса, где погрешность высока, а качество выполнения химического процесса, реакции, и т.п. минимально.

ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ

Функциональные параметры – это физико-химические параметры, которые оказывают влияние на выходные характеристики. Например, к числу выходных характеристик клапана могут быть отнесены секундный расход, давление, концентрация, работа на переходных режимах, потери на гидравлическое сопротивление. Функциональными параметрами клапана, обеспечивающими этот процесс, являются степень линеаризации, пропускная способность, угол открытия, динамический гистерезис, мертвая зона, мера отклонения от линейности, заданного командного сигнала и др.

Функциональные параметры могут быть регулируемыми или нерегулируемыми, а также невыявленными. Они обычно называются шумом. Регулируемые и измеряемые параметры для клапанов могут быть оценены при помощи «алмазной» диаграммы, показываемой программой диагностики (для компании Метсо – программно-диагностический комплекс FIELDCARE), и реализуются при помощи сенсоров, установленных в цифровой смарт позиционер (для компании Метсо – цифровой позиционер серии ND 9000).

Основные функциональные параметры – это те параметры, погрешности которых оказывают наибольшее влияние на погрешности выходных характеристик.

Исходные зависимости – это соотношения между функциональными параметрами и выходными характеристиками, получаемыми на основе опыта производства или подразумеваемых и обычно задаваемыми технологией. Именно они являются исходными для расчета допусков и прогнозирования погрешностей. Так, для анализа погрешностей контуров в тепловых схемах исходные зависимости определяются в целом тепловым и материальным балансом.

Увеличивающие функциональные параметры – с их увеличением выходная характеристика увеличивается, уменьшающие – с увеличением которых выходная характеристика уменьшается. Примером увеличивающего звена является, например, узел разбавления, когда погрешность подачи химикатов будет многократно увеличена на выходе из этого звена и проявится, например, в значительном отклонении параметров воды от заданного рН. Пример уменьшающего звена в тепловых схемах – конденсатор.

Здесь же важно и показать, как появляется передаточное отношение (коэффициент усиления) – величина, указывающая направление и интенсивность влияния функционального параметра на выходную характеристику. С точки зрения системы автоматизации передаточное отношение может быть обозначено как коэффициент влияния или коэффициент чувствительности. Этот же параметр может косвенно указать на критический контур регулирования, где относительное передаточное отношение (передаточное отношение, отнесенное к математическому ожиданию) будет значительно больше или меньше 1.

Коэффициент точности – покажет соотношение между полем рассеяния и допуском при заданной или полученной по результатам контроля качества функции плотности вероятности. То, что поле рассеяния не равно допуску, легко видеть при сравнении данных контроля качества, вычислении истинного среднего значения величины, ее математического ожидания и допуска. В этом случае, повышение точности может позволить разделить допуска на несколько дополнительных, например, изменив категории качества готового пара после пароохладителя, разбив его по достижимой точности в пределах одного Кv в рамках одного процесса. При этом можно получить значительно более эффективное качество выполнения процесса. Если параметров несколько, то поле рассеяния легко видно на диаграмме допусков. Когда измеренное качество появляется в виде поля и не обязательно занимает равномерно все поле допусков, а может сосредотачиваться на одном из углов диаграммы. В этом случае технологу следует задуматься, куда и почему «плывет» процесс, отдаляясь от своего центра, заданного допусками. Примерно так определяют точность выполнения процесса, когда задана целевая область диаграммы – рабочая точка по расходу, давлению и температуре пара. Эти данные используют для регулирования контуров, ответственных за ту часть процесса, которая вносит наибольший вклад в формирование показателя рабочей точки.

Чтобы получить данные и уметь уже на стадии проектирования смоделировать точность, необходимо провести оценку точности. Оценка точности может состоять из 3-х этапов:

– Расчет допусков по результатам расчета погрешностей, задаваемых производителем регулирующих клапанов.

– Сравнение с результатами опытной эксплуатации и параметрами технологического процесса, его допусками.

– Выявление критических участков.

Оценка точности предполагает и риски, например, вероятность отвергнуть правильное решение (риск 1-го рода) и вероятность принять неправильное решение (риск 2-го рода). Для оценки риска 1-го рода, используют критерий значимости, задаваемый по следующим значениям: α = 0,05; 0,01; 0,0027. Чем ниже значение «α», тем выше точность.

Тем не менее, следует учесть, что слишком высокое повышение точности может привести к сбоям. Так, например, задание слишком малого отклонения для целей регулирования может привести к накоплению ошибки ПИД-регулятора и самопроизвольному отключению цифрового позиционера или сверхвысокой частоте колебаний регулирующего клапана, что приведет к его поломке.

РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАЧИ ТОЧНОСТИ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

Уравнения теплового и материального баланса, как основные расчетные характеристики технологического процесса, не учитывают погрешностей регулирования процесса, взаимного влияния сопряженных контуров, накопления ошибки и др. В тоже время эти погрешности влияют на точность процесса, качество конечного и промежуточных продуктов, затраты энергии, трудности с компенсацией погрешностей средствами системы автоматизации. В точных процессах и критических контурах регулирования эти проблемы могут оказаться весьма существенными. В целом можно сказать, что нестабильность процесса может снизить показатели совершенства технологического процесса или производительности до 10%.

В тоже время технологический регламент, рассчитываемый по условиям материального баланса, задает, как правило, значительно больший возможный допуск на процесс, чтобы поле рассеяния параметров оказалось внутри допуска. Но, именно благодаря этому, создается возможность оптимизации.

Учитывая многообразие связей между параметрами в ходе реализации технологического процесса, статистические выходные характеристики могут подсказать и наличие неучтенных факторов. А после анализа таких параметров можно будет задавать такой параметр, и установить измерительный контур регулирования для осуществления этого параметра. Так, вместе с уравнениями теплового и материального баланса желательно учитывать и погрешности параметров технологического процесса – например, от колебаний давления, уровня вакуума, концентрации химикатов, пульсаций расхода на сами показатели материального баланса. Трудности состоят в том, что иногда параметры и выходные характеристики формируются в ходе технологического процесса и не могут быть проконтролированы и заданы изначально. Сюда же относится и проблема нелинейности исходных зависимостей, что может обусловить недопустимость их линеаризации.

В целом, задача расчета погрешностей контуров регулирования сводится к следующей схеме:

1. Аудит технологической схемы, сбор расчетных данных по процессу и расчет погрешностей по контурам регулирования. При наличии устоявшейся технологической схемы и вышедшего на режим технологического процесса снятие при помощи программы FIELD CARE показателей процесса и «алмазной» диаграммы. Установление трендов процесса.

2. Анализ технологической схемы с учетом данных п.1. Анализ, расчет и прогнозирование погрешностей элементов входной и выходной информации, характеристики их распределений и зависимостей между ними. Выделение быстродействующих возмущений, например, колебаний параметров процесса и медленно действующих факторов (зарастание, износ и др.). Расчет точности технологического процесса на различных этапах жизни контура регулирования. Расчет точности контура регулирования при различной заданной производительности и др. Расчет точности, как по одному доминирующему фактору, так и по нескольким.

3. Совершенствование технологической схемы на основе расчета погрешностей по процессу и накопления критических ошибок в процессе. Выделение критических контуров регулирования. Замена клапанов на более совершенные, с учетом анализа и синтеза точности.

Примером может стать расчет в программе NELPROF клапанов регулирования подачи химикатов на участках дозирования или химводоподготовки. Так, задавая основную среду, входные параметры, и рассчитывая процесс при минимальных отклонениях концентрации, можно получить весьма существенные снижения отклонений в рН воды.

Пример расчета по отклонениям процесса регулирования химикатов при помощи клапана NELES ACE приведен ниже:

Пример

На сегодняшний день дозаторы обладают чувствительностью +-0,2%. Для выбора клапана необходим ряд данных: производительность, требуемая концентрация, размер привода, линия подачи химикатов и дифференциал давления. По программе NELPROF, разработанной компанией METSO AUTOMATION, рассчитывается клапан, оптимально подходящий для данных условий. Пример в табл. демонстрирует выбор клапана R- серии DN200. Случай 1 дает положение клапана при данных параметрах процесса. Случаи 2 и 3 показывают изменения скорости потока, вызванные изменением положения открытия клапана: 1 шаг для случая 2 и ½ шага для случая 3. Интересно отметить, что клапан серии «R» NelesACE позволяет регулировать с точностью до +-0,014% около точки установки посредством полных шагов (импульсов) и до +-0,007% – полушагами. Таким образом, точность регулирования может быть повышена как минимум в 30 раз по отношению к первоначально заданной погрешности регулирования.

Табл. 2.4. Данные о процессе

Табл. 2.5. Характеристика процесса

Табл. 2.6. Расчетные параметры работы

Факторы, которые необходимо учесть, весьма многообразны. Это:

– Количество и возможность связи между входными и выходными характеристиками и степень определенности задачи. В этом случае выделяют доминирующие факторы и шум.

– Случайность и неслучайность изменения функциональных и выходных характеристик и возможность задания математического аппарата. Примером может стать расчет для устранения перерегулирования в клапане РОУ при переходе с одного режима на другой.

– Параллельность и последовательность процесса. Результатом выделения последовательных связей может стать расчет погрешности, проходящей через все узлы сопряженных «танцующих» контуров регулирования. Для параллельно соединенных элементов – это амплитудное накопление погрешности при сложении пульсаций характеристик каждого из них.

КЛАССИФИКАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ ЗАДАЧ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАЗНАЧЕНИЯ

Рассмотрим несколько основных задач.

1. Расчет предельно допустимых верхних и нижних отклонений, а, следовательно, и допусков контура регулирования и допусков на процесс. Выделение критических отклонений выходных характеристик, с которыми не должны совпадать рабочие выходные характеристики. Например, пульсации насоса, сложенные с пульсациями давления от других узлов, не должны совпадать, поскольку пульсации становятся недопустимо большими.

Другим примером может стать критическое накопление погрешности с выходом выходной характеристики за пределы допуска. Примером может быть работа клапана на верхнем пределе перепада давлений, за которым происходит критическое изменение характеристики регулирования из-за попадания в кавитационную область. При большой погрешности измерения попадание в эту область будет невыявленным и частым, что приведет к появлению дополнительных возмущений в процессе.

2. Расчет систематических погрешностей выходных характеристик, обусловленных применяемыми узлами.

3. Задачи синтеза точности. По найденным или заданным из опыта, аналогии или по техническим требованиям значениям предельных отклонений выходных характеристик проводится расчет необходимых предельных верхних и нижних отклонений и, следовательно, допусков входной информации. Такая задача наиболее характерна при проектировании контуров регулирования.

4. Задача анализа точности по значениям предельных отклонений показателей входной информации прогноз значений возможных предельных отклонений или полей рассеяния выходных характеристик.

5. Задача отстройки от критических состояний. Это расчет необходимых малых отклонений входных характеристик для отстройки выходных характеристик на заданную величину от нежелательного уровня или критических состояний. Задачами являются как отстройка от резонанса амплитуд пульсаций концентрации, давления и др., снижение виброактивности самого клапана, удерживание показателей регулируемой среды, например, рН воды в характерных более жестких допусках.

Сюда же относится и задача доводки средних значений выходных характеристик до определенного уровня без изменения номинальных значений входных параметров. Одной из них может быть нахождение критических состояний процесса, при которых регулирующие клапаны выходят за пределы наиболее эффективного диапазона регулирования (50-70%). На языке теории вероятности такие задачи называются «задачами преднамеренного смещения распределений».

6. Расчет погрешностей выходной информации, обусловленной действием отклонений внешних возмущений от заданного уровня. Как правило, эти задачи относятся к возмущениям, возникающим в процессе эксплуатации оборудования. Вполне правомерно, чтобы при решении задач анализа и синтеза точности принималось во внимание влияние внешних возмущений, износа и старения еще на стадии проектирования изделия. Для клапанов, установленных на определенной технологической линии, эта задача означает найти такое сочетание погрешностей, при которых процесс выходит за пределы допусков.

Для решения этих задач должны быть решены дополнительные подзадачи:

– Отбор и ранжирование функциональных параметров, выявление взаимосвязей между ними, формирование исходных зависимостей. Для тепловых схем ими могут быть в основном уравнения теплового и материального баланса.

– Установление законов распределения функциональных параметров и выходных характеристик.

– Определение оценок, ошибок и доверительных интервалов показателей, полученных экспериментально.

– Оптимизация допусков. Нахождение экстремума, максимума – минимума выходной характеристики или параметра технологического процесса. Практические результаты – это получение таких значений предельных отклонений, которые обеспечивают минимальную величину поля рассеяния, определяется коэффициент относительного рассеяния, относительной асимметрии выходной характеристики.

Кроме того, должен быть выбран метод оценки точности. Для предприятий энергетики, очевидно наиболее эффективны экспериментальные методы. Из них наиболее эффективен метод регрессий по результатам активного или пассивного экспериментов. В случае установившегося производства может быть обследована выборка качественных показателей достаточно большого объема. Измеряются значения выходных характеристик, входных параметров и внешних возмущений. Затем определяются статистические характеристики, функции плотности вероятности и законы распределения, коэффициенты корреляции между входными параметрами и выходными характеристиками. Далее определяются комплексы показателей для внешних возмущений и их связей между собой и с выходными характеристиками. Зная модели плотности вероятности, можно определить поля рассеяния, верхние, нижние отклонения, коэффициенты относительного рассеяния, коэффициенты относительной асимметрии. Имея набор перечисленных величин, конструируются формулы для расчета точности.

В жизни метод может выглядеть следующим образом. От отдела качества получают статистические данные по процессу. Альтернативно данные можно получить из диаграмм процесса АСУ ТП. Рассчитываются дисперсии и определяются отклонения. Данные сравниваются с дисперсиями по процессу. Выделяются критические участки процесса, вносящие максимальный вклад в дисперсию. Производится анализ по контурам. На основе анализа принимается решение о замене существующих и внедрении наиболее точных контуров регулирования. Рассчитывается эффективность через ужесточение допусков на процесс, снижение норм расхода и экономическая эффективность в целом.

Все методы в полном объеме реализуются только на компьютере. Построенные при помощи указанных методов обобщенные модели распределения особенно удобны при выполнении автоматического регулирования процессов с меняющимися законами распределения и, очевидно, могут быть вложены в виде дополнительного программного обеспечения в систему АСУ ТП.

Кроме этого, в ходе выполнения технологического процесса и при периодических поднастройках, исходные заданные значения регулирования могут искажаться. В этом случае включение программы NELPROF в систему автоматического регулирования с постоянным пересчетом клапанов на текущее значение технологического процесса будет четче выдавать общую картину диапазона регулирования. Система будет показывать места выхода текущих характеристик за пределы диапазона регулирования клапана. В частности, такие задачи наиболее характерны при частой смене режимов или нагрузок.

Исходные заданные значения регулирования искажаются и из-за расширения погрешностей регулирования и\или из-за износа самого клапана. В качестве примера можно привести последовательность выявления проблемы точности, как в процессе, так и в самом клапане подачи химикатов.

Пример. Пусть контролируемым параметром будет рН воды. После отладки процесса берется выборка данных химанализа воды и оцениваются результаты измерения рН каждого измерения. Получаем выборку. Спустя заданное время проводим эту процедуру 2-й раз. Результаты измерений смешиваются, и каждому значению присваивается ранг. Вычисляются суммы рангов для каждой из выборок и определяются значения критерия Уилкоксона. Они сравниваются со значениями для риска 1-го рода. Выявляется разница. Если она существенна, что это означает, что необходимо вмешаться в процесс, т.к. что-то в распределении рН изменилось, хотя отклонения, выходящие за пределы допуска, еще не появились. Произведя еще вычисления, можно установить, что именно изменилось, в какой из характеристик процесса нарастает опасная тенденция. Ими может быть уровень настройки, о чем можно судить по изменению среднего арифметического, разброс значений, т.е. точность отслеживания рН, о чем можно судить по изменению дисперсии.

Для регулирующих клапанов особенно важно, чтобы процесс находился в наиболее эффективной линейной части регулирования. Его можно назвать «центром процесса» или распределения и он соответствует традиционно задаваемому диапазону регулирования 50-70%. Регулирование на этом участке будет наиболее свободно от погрешностей и будет ухудшаться с приближением к выходу за его пределы. Это также означает, что в случае ухода от центра процесса (распределения) и приближением к его концам будет появляться дополнительный разброс значений. И это также означает, что необходимо поддерживать настройку клапана и удержание диапазона регулирования в области центра процесса. В случае выхода клапана из зоны эффективного регулирования с максимальной линеаризацией, и работой в диапазоне ниже 40% или более 70%, отклонения в регулируемых параметрах могут иметь критические значения. Расчеты погрешности по левой и правой границе диапазона регулирования дадут точные значения общей погрешности и помогут более точно сформировать требования к точности вблизи этих границ.

Учитывая частые изменения нагрузки, использование программы NELPROF в режиме «он-лайн» поможет производству и технологам вовремя увидеть проблемы нарастания погрешности в связи с выходом за нижнюю или верхнюю границу пропускной характеристики. Так, по данным аудита одного из энергетических хозяйств ЦБК, свыше 50% регулирующих клапанов работало при угле открытия ниже 40%, что было главной проблемой накопления ошибок при регулировании. В случае если бы в системе автоматизации была бы установлена программа NELPROF, технологи и специалисты по автоматизации смогли бы выявить проблему значительно раньше и задать ограничения по процессу или снижению производительности.

Таким образом, уравнения погрешностей или их совокупностей, если затрагиваются несколько выходных характеристик, могут служить расчетным аппаратом при решении задач отстройки системы от нежелательных уровней выходных характеристик, либо задачи доводки последних до необходимой величины.

При моделировании точности необходимо учесть, что особенное влияние на поле рассеяния параметров имеет динамика протекания технологического процесса. Чем выше скорость, производительность, чем меньше устройств сглаживания, резервирования или транспортных звеньев, также способных сглаживать процессы, тем выше неустойчивость регулирования и колебательность процесса. При этом следует принять во внимание, что смещается как математическое ожидание характеристики под действием систематических факторов (износ, разбалтывание соединений, люфты в клапане, другие возмущающие факторы), так и случайные факторы при поднастройке контура регулирования и самого клапана. Растет дисперсия вследствие действия систематических факторов, например, динамических отклонений и, соответственно, динамической расстройки контура, так и случайных факторов.

Это также означает, что необходим определенный запас точности настройки, как минимум между двумя ППР и должна рассчитываться зона безопасного смещения математического ожидания вырабатываемой совокупности и роста ее дисперсии. В этом случае в «алмазной диаграмме» программы FIELDCARE можно предусмотреть 2 основные части поля рассеяния – большую часть, равную вероятностной сумме случайных погрешностей и меньшую, зону безопасного смещения математического ожидания и роста ее дисперсии, или зона запаса точности. Они, как понятно, должны быть меньше поля допуска. В анализе, приводимом специалистами по точности (ИПМАШ, Санкт-Петербург), показывается, что при применении, например, унифицированного метода, чем точнее выполняется обработка (точнее работает контур регулирования), тем создается большая возможность увеличения допусков. Этот принцип реализуется только при автоматическом непрерывном регулировании точности. Как уже показывалось выше, автоматический перерасчет клапанов он-лайн и встройка тревожных сигналов в системы автоматизации, может стать первым приемом повышения эффективности качества регулирования.

Если при моделировании используются различные гидравлические или электрофизические аналогии, то появляется возможность определить влияние дополнительных малых параметров на динамику системы. При разработке алгоритмов, они также могут быть включены в систему автоматизации процесса. Такие модели могут быть наиболее полезны при анализе точности сложных технологических схем, состоящих из большого числа узлов, соединенных последовательно или содержащих несколько разветвленных схем из таких последовательных цепочек. Требуется расчет точности контура регулирования каждого элемента и точности взаимного влияния этих контуров, для того, чтобы гарантировать функциональную точность процесса. Кроме того, модели должны учитывать изменение погрешностей во время эксплуатации. Ряд таких работ проводится в ВШТЭ СПБГУПТиД (бывшее ГТУРП), Санкт-Петербург. В результате моделирования одним из первых результатов может быть предсказание того, достигнет ли контур требуемой точности, будут ли сбои в определенный период, необходимо ли перепроектировать сам контур и т.п.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ВКЛАДОВ ДЛЯ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ТОЧНОСТИ

Вклад – эта мера влияния данного фактора на тот или иной показатель точности выходной характеристики. По-видимому, этот метод наиболее характерен для расчета погрешностей процессов технологических схем, как уже было продемонстрировано. При этом вклады могут быть следующими

1. абсолютный вклад фактора, включая и возмущающие, в математическое ожидание или среднее значение,

2. относительный вклад того же фактора,

3. относительный вклад свободного члена исходной модели (погрешности линеаризации, моделирования, полноты учета входных параметров),

4. относительный вклад дисперсии фактора в дисперсию выходной характеристики,

5. относительный вклад поля рассеяния фактора в поле рассеяния выходной характеристики,

6. относительный вклад совместного влияния 2-х дисперсий в дисперсию выходной характеристики, поля рассеяния,

7. относительный вклад отклонения от среднего значения факторов в отклонение от среднего значения выходной характеристики.

Методология рассмотрения точности по методу вкладов позволяет решать следующие задачи:

– ранжирование факторов по степени их влияния на выходные характеристики,

– оценка вклада в линеаризованную область, что позволяет анализировать роль неопознанных, неучтенных факторов и возмущений, а также погрешностей моделирования,

– оценка технических требований к конструкции и процессам, а также их уточнение,

– совершенствование управления технологическим процессом.

Следует отметить, что вклад в среднее значение может быть мал, но в дисперсию может быть доминирующим. Это означает, что при проектировании технологических схем необходимо учитывать все вклады контуров регулирования и в алгоритмах управления производством предусматривать то же самое. Включение в технические требования на клапан только основных показателей, которые оказывают доминирующее влияние на номинальное значение выходной характеристики, как это, к сожалению, наблюдается в практике проектных организаций, может привести к утрате контроля за полем рассеяния факторов, оказывающих на него существенное влияние. Это напрямую ведет к непредсказуемому колебанию уровня доли качественного выполнения процесса, что часто и наблюдается.

АНАЛИЗ КОНТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ

При проектировании должны учитываться как период эксплуатации, так и изменение ремонтных размеров, для чего необходимо устанавливать связь качества изготовления и сборки клапана с последующим качеством работы его при эксплуатации. Для этих целей задаются функциональные параметры, эксплуатационные показатели и связь между ними. Пределы изменения эксплуатационного показателя, например, гистерезиса, определяется допусками изготовления деталей. При эксплуатации параметры клапана изменяются из-за износа или возмущений и величину параметра через время эксплуатации можно записать уравнениями, где должна быть добавлена скорость изменения параметра. Методологически это делается при помощи использования данных трендов с «Алмазной диаграммы» программы FIELD CARE.

Расчет или аппроксимация данных и расчет уравнений регрессии процесса падения точности позволяет задавать категории допусков и принимать определенные показатели дисперсий, назначать допуска на входные и функциональные параметры, определять средний срок службы.

Проведенный обзор показывает, как внимательное отношение к контурам регулирования с точки зрения не только автоматизации процесса, но и повышения их точности и связи с технологией позволят добиваться более существенного роста качества технологического процесса.

Шагами к этому является знание технологии, анализ технологических схем на предмет точности регулирования и знание особенностей поведения клапана с целью устранения колебательности процесса.

НАДЕЖНОСТЬ КЛАПАНОВ

Как известно, надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении и поддерживается при эксплуатации. Однако, в приложении к регулирующим клапанам, подразумевающим надежность регулирования, и в приложении к отсечным клапанам, подразумевающим надежность отсечки, эти понятия часто бывают спорными. Тем более трудно научиться считать надежность клапанов. Для того чтобы разрешить проблему, необходимо разобраться с терминами, требованиями по надежности со стороны потребителей, выявить связь надежности работы клапанов с надежностью оборудования и узлов, в которые входит арматура, с системой АСУ ТП, измерительными комплексами. Рассмотрение будет неполным без разбиения анализа отказов на внезапные и постепенные, а также скрытые или невыявленные.

На основе этого анализа мы предлагаем рассмотреть методики определения надежности, применимые к арматуре. В частности, ими могут быть методики предварительного статистического и полевого аудита.

Надежность регулирующих клапанов в большей степени определяется их способностью обеспечивать наибольшую точность регулирования. Критериями надежности в этом случае будут надежность их работы в измерительном контуре, способность противостоять отказам и диагностироваться на внезапные и постепенные отказы. Учитывая значительный вклад регулирующих клапанов в поддержание точности контура, важно будет определить, как происходит постепенный метрологический отказ и сбои, и какие виды диагностики могут определять подобные отказы.

Для работы контуров отсечки важно рассмотреть влияние режимов работы на работоспособность клапанов. При этом существенное влияние оказывает уже коррозия, эрозия и кавитация. Клапаны постоянно подвергаются пульсациям и вибрации, вносящим значительный вклад в снижение надежности работы клапанов.

Рассмотренные факторы позволяют предложить ряд конструктивных и эксплуатационных методов для повышения надежности, включая метрологическую надежность. Оценка их на основе расчета технико-экономических параметров позволяет выбрать наиболее оптимальную. Но в большей степени такая оценка позволяет наметить долгосрочные пути повышения надежности. Производители арматуры способны в этом случае предложить программы расширения сроков гарантий на основе повышения надежности арматуры.

УМЕЕМ ЛИ МЫ СЧИТАТЬ НАДЕЖНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ?

Хотя клапаны используются повсеместно, однако, для арматуры энергохозяйств, подобные расчеты надежности в проектные решения практически не закладываются. Иногда производители регулирующей арматуры приводят данные по потокам отказов или наработке на отказ в своих каталогах. В то же время клапан, установленный на сложном участке тепловой схемы и работающий в условиях агрессивной среды, может иметь в 6 раз большую вероятность отказа по сравнению с нормальными условиями, при которых приведены данные по отказам в каталогах арматуры. Наверное, именно поэтому, только длительная эксплуатация и статистика может служить надежным критерием оценки применяемых клапанов.

В предлагаемых материалах мы хотели бы обсудить, что такое надежность регулирующих клапанов и запорной арматуры, как повысить надежность и расширить сроки гарантий по применяемым клапанам, а также предложить оригинальную методику предварительной оценки надежности и диагностики.

НЕМНОГО О ТЕРМИНАХ

Основным показателем качества клапанов является надежность их работы, т.е. свойство выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки (определение по ГОСТ 53672 -2009 Арматура трубопроводная. Общие требования безопасности).

Надежность клапана обусловливается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью и долговечностью его частей.

Безотказность – это способность сохранять работоспособность в течение срока наработки без вынужденных перерывов.

Вероятность отказа – это вероятность того, что в течение времени T произойдет хотя бы один отказ.

Интенсивность отказов – отношение числа клапанов, вышедших из строя в какой-то интервал времени к среднему числу клапанов, находящихся в этом интервале в работоспособном состоянии, деленное на этот интервал времени. Этот критерий является удобной характеристикой надежности и определяется из опыта эксплуатации и специальных испытаний для оценки надежности.

Работоспособность – это состояние клапана, при котором он способен выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.

Долговечность – свойство сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособности.

Неисправность – состояние узла, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований технической документации.

Ремонтопригодность – свойство, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Дополнительно используются термины вероятности безотказной работы, вероятности отказа, интенсивности отказов, равнонадежности, потока отказов, среднего времени безотказной работы, эффективности восстановления и др.

ТРЕБОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ

По опросу, проведенному журналом CONTROL ENGINEERING в 2007 году, рис.2.5., около 80% респондентов – пользователей регулирующих клапанов – сообщили, что надежность является наиболее важным качеством клапанов. На лучших предприятиях работают или внедряются программы повышения надежности наиболее критичных регулирующих контуров, т.е. тех, которые определяют качество всего процесса, конечного продукта или существенно влияют на себестоимость. Требование надежности возрастает в случае повышения скорости процессов, повышения качества, необходимости стабильности технологических процессов и всегда помогает осуществить высокий уровень автоматизации.

Рис. 2.5.. Критерии выбора регулирующих клапанов

Уже достигнуты несомненные успехи по повышению надежности работы клапанов. До 40 % пользователей клапанов сообщили, что они заменяют или ремонтируют клапаны раз в 3 года, 30 % – раз в 2 года и 30 % – раз в год. При этом компании, которые осуществляют ремонт раз в 3 года, используют интеллектуальные системы диагностики клапанов, позволяющие предвидеть аварию, а не разбираться с ней по свершившемуся факту.

Основными причинами невысокого уровня надежности арматуры назывались: недостаточный учет реальных условий эксплуатации, недостатки в методологическом подходе к решению проблемы обеспечения надежности, скрытые технологические дефекты. Рассмотрим их подробнее.

Недостаточный учет условий эксплуатации. Имеется как минимум три этапа, и точнее это стыки между этими этапами, когда объективно «теряются» и не учитываются факторы, являющиеся потенциальными причинами будущих отказов: это недостаточное определение технических требований и неправильное заполнение опросных листов, неучет возмущающих факторов при эксплуатации. Ими могут быть: реальные режимы нагружения на элементы арматуры, зависящие от постоянных, аварийных и незапланированных пульсаций давления; монтажные перекосы и вибрация трубопроводов; усилия, возникающие при функционировании арматуры; внутренние концентраторы напряжений; технологическое термоциклирование и др. Это и специфичность совместного действия механических и термических факторов – коррозии и механических напряжений. Всегда существует возможность появления критических режимов протекания рабочих сред вследствие изменения технологических режимов системы, приводящих к повышенной турбулизации, кавитации, эрозии в местных гидравлических сопротивлениях проточной части арматуры.

Как показывает опыт, основной причиной выхода из строя арматуры является ее неправильное применение, неучет особенностей эксплуатации и параметров трубопроводных систем. При анализе и аудите причин выхода из строя арматуры зафиксировано большое число отказов, возникающих вследствие использования арматуры в условиях, не предусмотренных технической документацией.

Чтобы избежать этого, многие фирмы разрабатывают программы по повышению качества и надежности арматуры. В таких программах выделяются следующие основные задачи: создание паспортов арматуры и компьютерной базы данных по истории эксплуатации (обслуживание, аварии, ремонт каждой единицы арматуры) и снятие с тендеров закупок арматуры без надлежащего анализа ее пригодности для конкретных условий эксплуатации, предоставление поставщиком расчетных данных и обеспечения гарантий по работоспособности арматуры во время ее эксплуатации, гарантии сервисного обслуживания, поставок запчастей и др. Это устраняет возможность эксплуатации некондиционной арматуры и аварийных внеплановых остановов по причине ее выхода из строя.

К факторам, нарушающим требования документации при монтаже и эксплуатации, относятся следующие:

– перед установкой арматуры в систему не проводятся приемочные испытания, регламентируемые технической документацией;

– не контролируется гарантийный срок службы, что приводит к эксплуатации некондиционной арматуры, вероятность аварийного выхода из строя которой особенно велика;

– нарушается регламент освидетельствования и ремонта арматуры, ведение паспорта

– применяются «крючки» – рычаги-удлинители при закрывании арматуры вместо применения динамометрических ключей;

– при эксплуатации экстремальные условия возникают при незапланированных остановах и пусках технологических линий;

– запорная арматура может использоваться при регулировании и дросселировании, что приводит к выходу ее из строя.

Недостатки в методологическом подходе к оценке надежности. К ним относятся: Применение только статистических моделей, на основе информации «работоспособность – отказ» и только формального модельного подхода к распределению вероятностей отказа, тогда как на самом деле необходимо полноценно использовать данные эксплуатации.

Для расчетов надежности только арматуры по критерию постепенного или внезапного отказа применяется методика анализа и критерий непревышения критических значений «нагрузка – прочность», для анализа метрологической надежности – критерий «параметр-поле допуска».

Силовые воздействия, формирующие поля напряжений, например, в корпусных деталях вызываются, как правило, гидростатическим давлением рабочей среды, усилием уплотнения в затворе от привода, изгибающим моментом в местах соединения трубопроводов (монтажные погрешности, деформации трубопроводов в режиме эксплуатации). Возможные последствия силовых воздействий – это недопустимые деформации и разрушение деталей арматуры, разгерметизация в затворе и относительно окружающей среды.

Из всех элементов арматуры наиболее катастрофические аварии случаются при разрушении корпусов арматуры. Однако, доля таких разрушений достаточно мала, связаны они, в основном с гидравлическими ударами, технологическими скрытыми дефектами и составляют 3-5% всех видов отказов.

Наибольшее число отказов вызвано поверхностными процессами – изнашиванием, коррозией, эрозией, кавитацией и их совместным действием. Например, анализ отказов различных видов арматуры (более 150.000 случаев, данные ЦКБА) показал, что их основной причиной явились различные виды изнашивания – 65%, коррозии – 25%, эрозии и кавитации – 5%.

Особенно потенциально опасны агрессивные и коррозионно-активные среды. Кроме коррозионного поражения эти среды в условиях действия полей напряжений приводят к усилению механохимических реакций – резкому возрастанию скорости растворения деформированных участков поверхности, коррозионному растрескиванию, значительной интенсификации изнашивания, эрозии и кавитации.

Термическое воздействие среды приводит к заклиниванию деталей в сопряжениях вследствие различного коэффициента термического расширения, возрастанию коррозионной активности рабочей среды, возникновению в деталях дополнительных полей термонапряжений, изменению механических свойств материала и др.

СВЯЗЬ НАДЕЖНОСТИ КЛАПАНОВ С НАДЕЖНОСТЬЮ УЗЛОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Важность учета специфики надежности клапанов, как с непрерывностью процесса, необходимостью точного регулирования, так и с огромным количеством установленных клапанов, очевидна. Их количество на одном крупном энергоблоке может доходить до 40.000 ед. При этом на долю отказов установки в целом по причине выхода из строя клапанов может приходиться до 60-70%.

Среди общих простоев до 15% приходится на долю клапанов и арматуры. В структуре ремонтного цикла на долю арматуры приходится также значительная часть. Каждое ТО связано так же, как минимум, с осмотром арматуры и ведением ее паспорта. Сам отказ клапанов может приводить как к полному отказу установки, так и к постепенной потере эффективности. По классификации отказов клапаны попадают во все категории, см. табл. 2.7.

Табл. 2.7. Категории отказов клапанов

Уже достаточно давно установлено, что максимальные простои приходятся на первые годы эксплуатации. И далее, приближаясь к 8 годам эксплуатации, когда большая часть узлов исчерпывает свой ресурс, эксплуатационные затраты растут, а эксплуатационная эффективность падает. Заметное снижение уровня надежности в целом начинается через 4-5 лет после выхода на нормальный режим эксплуатации. Эти данные могут использоваться для повышения и расчета надежности клапанов, в частности, для того чтобы кратность их замены приходилась на этапы замены и других изношенных узлов. При этом уровень капитального ремонта всей установки может быть повышен. Таким образом, формируя ремонтный цикл арматуры до уровня 4-5 лет после выхода на нормальный режим установки в целом, можно добиться повышения надежности и эффективности, как капитального ремонта, так и эксплуатационной эффективности установки в целом.

Из процессов, действующих на клапаны и арматуру в составе энергоустановки, можно выделить 3 основных:

– обратимые – временно изменяющие параметры и поддающиеся регулированию, например, процессы регулирования,

– необратимые – износ штока, седла клапана, "разлохмачивание" сальникового уплотнения и др.,

– медленно развивающиеся процессы – зарастание масляной шубой пневмопровода, карамелизация клапана, прикипание, забивание слизью, уплотнение сгустков и др.,

– монотонные процессы средней скорости – линейное расширение клапанов пароконденсатной группы при температурах эксплуатации.

– быстроизменяющиеся процессы – работа клапана в условиях высокой вибрации трубопровода, наличие кавитации.

Учитывая, что в большей степени в настоящее время применяют поузловое обслуживание и ремонт, то обслуживание клапанов также должно сочетаться с кратностью обслуживания этих узлов. Надежность клапанов и арматуры должна быть больше нормируемых показателей надежности для этих узлов.

Общая эксплуатационная надежность одного и того же клапана или его элемента может отличаться в десятки раз. Так, по данным, приведенным в исследованиях по надежности в ряде отраслей, показаны следующие цифры, см. табл. 2.8. Из этих же данных можно увидеть и место вероятности отказа клапана среди других элементов контуров регулирования и сопряженных узлов.

Табл. 2.8. Вероятность отказа клапанов и элементов контуров регулирования

Внезапные и постепенные отказы

В зависимости от характера изменения параметров отказы делятся на внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате скачкообразного изменения значений одного или нескольких основных параметров. Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров вследствие старения, например, прокладки, мембраны или износа, например, затвора или штока и т.п. В интеллектуальных клапанах, в которых применяются цифровые регуляторы, встречаются т.н. сбои.

Для иллюстрации постепенных и внезапных отказов рассмотрим схему, как контура регулирования, так и внутренней передаточной функции самого клапана.

Контур регулирования выглядит следующим образом: «датчик – коммуникатор – преобразователь – логическое устройство – коммуникатор – преобразователь – клапан». Из проблем, связанных с этими элементами, к внезапным отказам, означающим полную потерю работоспособности клапана или потерю работоспособности за короткое время, можно отнести заклинивание клапана и катастрофические утечки. К постепенным – износ, заедание клапана, постепенное накопление люфтов в механических соединениях, карамелизация и др.

Внутренняя передаточная функция и внутренняя схема передачи сигнала клапана строится следующим образом: задание значения управления «позиционер-привод-клапан» и обратная связь с отслеживанием положения клапана. В этой схеме к внезапным отказам можно отнести заклинивание клапана, разработку отверстий, разбалтывание болтов между штоком и клапаном с последующим заклиниванием, забивание инородными предметами, грязью и т.п. К постепенным отказам – постепенный износ затвора с постепенным увеличением протечек, постепенное «разлохмачивание» уплотнений и сальников, постепенное увеличение мертвого хода в связи с разбалтыванием механических соединений, постепенное увеличение пропуска воздуха в приводах и энергопотребления в связи с износом поршня и др.

Кроме наиболее прогнозируемых постепенных отказов необходимо предусматривать и возможность защиты от катастрофических и случайных отказов. Катастрофическая авария – отказ с разрушением клапана и существенным ущербом. Например, это вынос штока из клапана, находящегося под давлением с катастрофической потерей рабочей среды. Случайная авария – событие, связанное с разрушением клапана или его частей в результате небрежности обращения. Примером является, например, повреждение соединения штока с затвором при использовании для усиления крутящего момента – т.н. «крючка». Другой пример – это непонимание связи работы внутренних частей клапана и приваривание хомута к клапану; удары по корпусу клапана для сбива свода при карамелизации, чтобы не было заеданий, при котором вероятно появление трещин; использование нерегламентированных агрессивных промывных жидкостей для снятия меркаптана с поверхности топливных клапанов, например, керосина, которые могут привести к разбуханию сальников и тефлоновых подшипников; заливка неочищенных смазок в клапан, замена подшипников в клапане с нарушением правил и технологии сборки; нарушение инструкций по эксплуатации; несоблюдение температурных режимов.

Надежность работы повышается, если соблюдаются инструкции по монтажу и эксплуатации, запрещается использование нерегламентированных и неочищенных смазок и промывателей, осуществляется одновременные регламентные работы на всем клапане. Дополнительно должна вестись история клапана, т.е. систематические записи о наработке, отказах, неисправностях и ремонтах, как в специальном журнале или паспорте, так и при помощи программ программно-диагностических комплексов, например, FIELD CARE. Необходимо вести наблюдения и учет наиболее изнашивающихся деталей, соблюдать правила техники безопасности.

Высока и роль обслуживающего персонала и его квалификации. Примером влияния квалификации на снижение регулирующей способности клапана может служить следующая иллюстрация: чтобы избежать утечек, операторы стремятся затянуть сальник по максимально возможному пределу. Однако это приводит к повышению трения и росту зоны нечувствительности. При этом зачастую, если у привода не хватает мощности, чтобы обеспечить надежное передвижение штока в условиях повышенного трения, растет мертвая зона и зона нечувствительности, с резким увеличением вероятности заедания. В результате простого неправильного действия будут наблюдаться как снижение качества регулирования, так и повышенное потребление воздуха и износ.

Надежность определяется параметрами конструктивной и эксплуатационной надежности. Надежность клапанов дополнительно пытаются увеличивать, занижая требования к самому процессу, или устраняя нестабильность и факторы, вызывающие проблемы с надежностью. Сама надежность в работе клапана определяется как постепенной потерей показателей надежности в процессе естественного износа, так и катастрофического, например, в результате скрытых дефектов. Примерами скрытых дефектов могут быть: частое или значительное завышение параметров над номинальными, например, скачки давления и связанные с ними гидравлические удары, изменения характера среды и коррозии, частые нарушения режима, большой поток абразива, осаждение, гипсация, усталость отдельных узлов клапана в результате цикличности работы и др.

Отдельно выступают требования надежности и снижения простоев в момент запуска новых производств. Опыт показывает, что уровень простоев в этот период превышает количество и время простоев при нормальной эксплуатации в несколько раз. Применение заранее калиброванных клапанов с широким внедрением цифровых позиционеров, привлечение на шефмонтаж специалистов сервисного центра, применение в начальный период эксплуатации диагностических средств позволяет повысить временную стабильность работы клапанов, снизить простои по вине выходящей из строя техники из-за ошибок персонала.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНАЯ СХЕМА НАДЕЖНОСТИ

Большинство типов арматуры относят к простым системам, т.е. к таким, элементы которых составляют функционально единую последовательную цепь, отказ любого из элементов которых вызывает отказ системы.

Арматура, как система, легко выделяется из ее окружения, ее параметры четко оговорены в технических условиях и документации. Легко определяются границы системы. Со стороны входа границей системы являются присоединительные элементы приводов, со стороны выхода – граничными элементами являются любые присоединительные детали, с помощью которых арматура подсоединяется к трубопроводам и детали, соприкасающиеся со средой. Для арматуры со встроенными приводами границами являются также электрические контакты или элементы присоединения для подачи управляющих или рабочих сред. Функции большинства типов арматуры состоят в преобразовании входов – параметров работы (движения) – в используемые для реализации технологических процессов выходы – параметры потоков материалов – рабочих сред. Параметры работы выражаются обычно через переменные величины: силу или момент, необходимые для приведения рабочего органа (затвора) – в рабочее положение. Для некоторых типов арматуры, требующих быстродействия в качестве рабочего переменного параметра, необходимо использовать скорость или частоту срабатывания. Переменные параметры потоков – это расход, давление, температура и другие регулируемые параметры рабочих сред.

Главные входы и выходы запорной арматуры:

– момент

– рабочее гидростатическое давление

– скорость срабатывания (для отсечной арматуры)

– утечка на затворе – для запорной арматуры

– гидравлическое сопротивление проточной части при открытом состоянии затвора.

Главные входы и выходы регулирующей арматуры:

– внешняя управляющая сила (момент)

– рабочее гидростатическое давление

– объемный расход.

Возмущения – это те явления в структуре арматуры, которые приводят к ее деградации и потере работоспособности. Возмущения происходят, как от внешних причин (коррозия, эрозия от движения потока, термические явления, теплосмены, гидромеханические, динамические процессы – пульсации, вибрации, ударные, распространяющиеся по трубопроводам), так и внутренних, например, переход к резонансным явлениям из-за неучета частоты собственных колебаний элементов и подсистем арматуры, собственная виброактивность клапанов, большие скорости соударения деталей затвора без демпфирования, большие зазоры в кинематических звеньях, передающих работу от привода к затвору, и возникновению значительных динамических нагрузок. Примеры характерных видов возмущений и вызванных ими потерь, встречающихся при эксплуатации арматуры, приведены в табл.2.9.

Табл. 2.9. Характерные виды возмущений и их последствия

Потери являются функцией возмущений. Если возмущения превышают допустимые пределы, то можно говорить об отказах. Например, интенсификация гидромеханического воздействия потока рабочей среды может вызвать эрозию уплотнительной поверхности седла, что, в свою очередь, может привести к сверхнормативной протечке.

Структура арматуры характеризуется своими подсистемами, их взаимосвязями и свойствами. Первая подсистема реализует функцию арматуры и включает затвор, передаточную кинематическую цепь и привод. Вторая образует несущую оболочку и обеспечивает функции перемещения рабочей среды, герметизацию, механическое крепление к трубопроводам, базу для регулирования и направления подвижных элементов. Третья – корпусные детали. Пятая – узлы уплотнения, шестая – узлы крепления. Седьмая – упругие и чувствительные элементы.

Взаимодействие подсистем между собой обеспечивается в основном рабочими поверхностями уплотнений, пар трения, резьбовыми и другими соединениями. Их можно вынести в отдельную трибомеханическую подсистему.

Каждая из этих подсистем имеет свои собственные закономерности развития и изменения, управляя которыми можно добиваться повышения надежности.

УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ

Уровень надежности – это определенное сочетание значений нормируемых показателей надежности изделий, характеризующее его на определенном этапе жизненного цикла. Для высоконадежной арматуры таким сочетанием может быть: вероятность безотказной работы, назначенный ресурс, средний ресурс до списания, наработка на отказ и др.

Управление уровнем надежности арматуры предполагает обоснованный расчет и выбор уровня надежности. Он зависит от работоспособности клапанов в технологическом потоке, и методы организации, обеспечения и поддержания этого уровня на всех этапах жизненного цикла.

Выбор уровня надежности подчиняется следующим двум основным стратегиям – обеспечение требуемого, как правило, высокого уровня надежности и обеспечение экономически обоснованного оптимального уровня надежности. В первом случае рассматриваются контуры регулирования, критичные для работоспособности системы, куда входит арматура в целом. Такими контурами могут быть критические контуры регулирования, от которых напрямую зависит качество поддержания режимных параметров и безопасность процесса. С ростом требований к системе, повышению ее сложности или опасности арматура может переходить из класса «бюджетной» надежности в высоконадежную. В одних случаях отказы арматуры приводят к возникновению катастрофической ситуации. Примером может быть утечка токсичных сред, взрывов, выход из строя дорогостоящего объекта. В других случаях – к ограниченному экономическому ущербу – нарушению технологического процесса, колебательности процесса или выходных параметров технологического режима.

Если последствием отказа является катастрофическая ситуация, то уровень надежности должен задаваться достаточно высоким. Экономические вопросы при этом не являются первостепенными. Если последствия отказа арматуры ограничены умеренными экономическими затратами, то определяющим в выборе надежности принимается некоторый оптимальный уровень, соответствующий минимуму суммарных затрат при эксплуатации. Это общая точка зрения.

Однако с ростом сложности технологических процессов, скорости их протекания, усложнением систем автоматики, ростом числа установленного оборудования, увеличением сложности и взаимовлияния сопряженных контуров регулирования, картина существенным образом меняется. При установленной базе клапанов в 1000 ед., даже если они распределены по всему комбинату, при низком коэффициенте надежности в состоянии отказа по всей станции могут находиться до 100 клапанов. Это означает, что угроза внеплановых и плохо диагностируемых остановов может нависать над выпуском продукции в целом. Это перестает быть проблемой одного клапана, а становится проблемой производства в целом. Отсюда следует, что на всех участках уровень надежности необходимо повышать. Переход к повышенному уровню надежности без большой оглядки на низкие цены является требованием времени. Со временем должен наблюдаться переход от стратегии экономически обоснованной надежности на уровень высокой надежности в целом.

Переход от второй стратегии к первой происходит не только через применение высоконадежной арматуры в целом, но и применение активной диагностики технического состояния в целом. В этом случае удается для конкретного производства вовремя определять проблемы и переводить контуры регулирования из обычных в требующие повышенной надежности или даже критические.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Определение надежности в основном производится статистическими методами за счет длительного накопления статистических данных и практики отработки применения клапанов для конкретного процесса. Математические методы часто не дают достоверных результатов. Однако, длительная обработка измерений в т. н. промышленном эксперименте или проведение испытаний по методу планирования эксперимента с математической обработкой и получением уравнений регрессии надежности позволяют дать достоверные прогнозы. Помогают и отработанные методы укрупненной статистической обработки данных заказов на клапаны и запчасти, а также паспорта и карты регистрации эксплуатации клапанов. Дополняя эти материалы информацией, полученной при обработке данных, снятых непосредственно с клапана при помощи программ диагностики, можно получить ясную и полную картину состояния клапана и спрогнозировать его долговечность и работоспособность.

К характеристикам надежности относятся такие параметры как безотказность, наработка на отказ, а к характеристикам надежности в анормальных условиях способность выдерживать нагрузки выше номинальных, пульсации, вибрации, гидравлические удары, работа в условиях кавитации и эрозии и др. Определение надежности совместно с безопасностью эксплуатации в условиях аварийной эксплуатации является особо важным для вредных, агрессивных или опасных производств.

Для крупных предприятий, на которых установлены клапаны одной компании, есть свой способ определения надежности наиболее слабых мест процесса и наиболее сложных участков. Получение данных возможно за счет анализа поставок за длительный период и интервьюирования специалистов предприятия. Даже на этой основе можно дать предложения по прогнозированию надежности клапана в конкретных условиях. Установлено, что исходные данные могут быть собраны из опыта поставок и эксплуатации в течение 2-3-х лет работы производства. Этого, как правило, может быть достаточно для оценки надежности, расчета вероятности отказов и прогнозирования срока службы без отказов. Также основой такого анализа является тот факт, что можно идентифицировать определенное число однотипных клапанов и средств КИП, работающих в близких условиях, что позволяет рассматривать их как совокупность, обладающую одинаковыми свойствами. Такие данные накапливаются при отслеживании статистики.

Одним из часто задаваемых вопросов является следующий: а насколько достоверна статистика, полученная из статистических данных, где не было возможности заранее задать критерии сбора данных? Такие вопросы возникают из-за того, что не было изначального представления о границах применимости того или иного метода статистического исследования, о «потенциальных возможностях» накопленного статистического материала, которым мы обладаем, или происходит из-за обращения со статистическими моделями так же как и с детерминированными.

В статистической обработке материала нам помогают дополнительные модели материального или теплового баланса, данные косвенных исследований, например, общие расчеты систем КИПиА для отдельных цехов предприятия. Специальные методы статистических методов обработки материала, например, специально для случаев неполных исходных данных информации, пассивного промышленного эксперимента, при наличии неуправляемых показателей с выделением главных влияющих факторов и их взаимодействий, анализ временных рядов являются математической базой оценки статистически накопленного материала. Для некоторых объектов характерны ситуации, когда в число входных параметров, определяющих параметры надежности, входят параметры, которые можно регистрировать, но практически нельзя изменять. Ими могут быть, например, показатели сырой воды в зависимости от времени года, временной дрейф показателей КИПиА, возникающий из-за старения приборов. Эти параметры с точки зрения метрологической надежности могут относиться к неуправляемым.

К сожалению, наработка статистического материала на предприятии в разрезе эффективности и надежности арматурного хозяйства, тем более метрологической надежности, весьма затруднена. Эти данные разбросаны между разными цехами, не отслеживаются в полной мере из-за высокой трудоемкости сбора такой информации и, зачастую, определяются субъективно. Требуются большие усилия по формированию подобных баз данных с целью оценки надежности и расчета показателей обслуживания, как со стороны руководства, так и персонала.

Наиболее простым способом является определение количества клапанов одного типа и одного производителя, находящихся в ремонте или в состоянии отказа. Так, если компания – производитель задает вероятность безотказной работы 0,95, то это означает, что из 1000 установленных на большой установке клапанов в состоянии отказа находятся примерно 50 шт. Статистика МЕТSO AUTOMATION подтверждает, что вероятность безотказной работы клапанов NELES значительно выше и может составлять примерно 0,998. Это означает, что в состоянии отказа будет находиться только 2 клапана с соответствующим сокращением вероятности аварий и нормо-часов на ППР и обслуживание. Для примера, в технической документации на клапаны других производителей задается обычно уровень безотказной работы всего 0,9-0,95.

Погрешности и пренебрежение взаимосвязями между различными параметрами, когда вклад каждого невелик, но в совокупности влияние может быть значительным, особенности поведения процесса вблизи допустимых значений – все это может оказать существенное влияние на течение процесса и метрологическую надежность в целом. Поэтому при задании критериев метрологической надежности учет такого рода особенностей необходим.

Конечной целью статистического аудита могут являться разные задачи. В частности, это может быть увеличение межремонтных сроков, межпроверочных сроков, изменение кратности обслуживания клапанов, выбор наиболее эффективного и надежного клапана с точки зрения как общей, так и метрологической надежности и др.

Поиск оптимального решения заключается, например, в выборе наиболее надежного конструктивного исполнения клапана, трендов, и т.п. Критерием оптимизации могут быть как наибольшее правдоподобие, так и предсказание вероятности отказа, оптимизация и выяснение особенностей распределения выхода из строя и др.

Результат может выражаться, например, в удлинении интервалов обслуживания, изменении кратности обслуживания и ремонтов с целью снижения издержек или регулирование интервалов обслуживания с целью повышения точности регулирования и метрологической надежности. Такие задачи характерны для критических контуров регулирования.

Еще раз уточним, что мы будем использовать статистический материал, полученный в условиях, которые не были специально подобраны и были собраны в режиме нормальной эксплуатации клапанов и арматуры на предприятии. Вследствие этого могут возникать определенные трудности при интерпретации данных.

Пример определения параметров надежности

Наиболее удобным параметром является интенсивность отказов. Для ее определения приведем следующий пример для предприятия, на котором установлено N однотипных клапанов:

1. По результатам статистического исследования по отказам этой группы составляется ряд безотказной работы в часах (днях, мес., кварталах, годах). Для предприятий, на которых используется множество клапанов Neles, как правило, есть данные статистики, которые ведет компания Metso Automation в системе Bernie.

2. Производится разбиение этого ряда на промежутки времени. Наиболее эффективно разбивать на мес., что связано с легкостью сбора информации, ее соответствия требованиям расчета, сроков планирования и остановов. Выделяется середина промежутка времени.

3. Определяется число исправных клапанов как «влево» от середины промежутка времени, так и «вправо».

4. Рассчитывается число отказов на интервале.

5. Рассчитываются частоты отказов на каждом интервале.

6. Рассчитывается вероятность отказа поинтервально.

7. Рассчитывается вероятность безотказной работы.

8. Выводится характеристика интенсивности отказов, номинальные фактические значения и тренды.

Обобщенные данные сводятся в табл. Обобщенный пример расчета за выбранный период эксплуатации клапанов показан в табл. 2.10. Примерно также определяется и вероятность безотказной работы.

Табл. 2.10. Определение основных характеристик надежности клапанов

ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ

Среднее время наработки на отказ. Статистические и расчетные данные, полученные выше, позволяют определить среднее время наработки на отказ или продолжительность работы клапана, которую можно измерить в часах и, например, в циклах для высокоцикличных процессов. Из этих данных по массиву однотипных клапанов и клапанам одного производителя выводится помесячная наработка. Среднее время безотказной работы – это математическое ожидание времени безотказной работы для клапанов, работающих в одинаковых режимах.

Среднее время безотказной работы между ремонтами. Далее могут быть рассчитаны среднее время безотказной работы между 1-м и 2-м отказом, 2-м и 3-м отказом и т.д.

Ресурс и назначенный ресурс. Ресурс определится как наработка клапана до предельного состояния, оговоренного в технической документации. Задачей является как назначение, так и продление максимально возможного ресурса. Для клапанов более характерен назначенный ресурс, при достижении которого эксплуатация должна быть прекращена независимо от состояния клапана в связи со слишком сильным влиянием его надежности на регулирование и потери при отказе.

Коэффициент готовности. Это отношение наработки на отказ на полное время, включая время восстановления, вызванного отказом клапана.

Коэффициент использования. Рассчитывается, когда к времени восстановления добавляется и время простоев, технического обслуживания и ремонтов. Неиспользованным резервом является доведение коэффициента до максимально возможных величин, за счет как снижения времени простоев, внеплановых остановов, так и времени на ремонт и техническое обслуживание. Резервы здесь значительные. Так, одни предприятия останавливаются на техническое обслуживание до 1-го раза в неделю на 8-12 часов, тогда как лидеры, использующие современные средства диагностики останавливаются 1-н раз в месяц на 4-12 часов. Коэффициент технического использования для клапанов может при этом колебаться от 0,8-0,93 до 0,995%. Это означает, что за счет повышения коэффициента технического использования можно увеличить степень полезного времени на эксплуатацию до 5-15%.

Срок службы с позиций надежности. Срок службы определяется календарной продолжительностью эксплуатации клапана до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации. Однако срок службы может рассматриваться и как срок службы до первого капитального ремонта, и как срок службы между капитальным и средним ремонтами, и как срок службы до списания, как средний срок службы и др.

Со знанием условий эксплуатации есть возможность расширять срок гарантий, в течение которого изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение установленных требований к клапану при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в т.ч. обслуживания и ремонта.

ГЛАВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

Все показатели надежности могут быть разделены на главные и вспомогательные, а также отдельно на показатели в составе простых механических устройств, например, простая регулирующая и отсечная арматура в составе простых регуляторов, и показатели надежности в составе измерительных комплексов. Следует отметить, что с учетом все большего применения цифровых устройств, различие в показателях надежности будет все больше отличаться.

Главные и вспомогательные показатели надежности арматуры в составе механических устройств:

Главные показатели – это:

1. Срок службы до списания.

2. Гарантийный срок службы и вероятность безотказной работы в течение гарантийного срока,

3. Наработка на отказ, средняя наработка на отказ до первого отказа и за календарное время, как один из наглядных показателей надежности восстанавливаемых клапанов. В случае если время безотказной работы не зависит от момента, в который произошло восстановление клапана, то наработка на отказ совпадет со средним временем безотказной работы и средним временем между отказами. Это реально, когда предприятие работает по системе обменного фонда и восстановление клапанов производится до момента останова, т.е. персонал тратит время только на замену. Обменный клапан должен восстанавливаться предварительно.

4. Вероятность безотказной работы.

5. Среднее время восстановления.

6. Коэффициент готовности.

К выводимым из этих показателей являются такие расчетные показатели как интенсивность отказов, коэффициент технического использования, параметр потока отказов, коэффициент использования, вероятность отказа, средняя частота отказов с учетом ремонта, ресурс и назначенный ресурс.

К числу показателей, которые могут быть использованы при коммерческих расчетах, являются срок гарантии и срок службы. К примеру, к ним привязываются программы сервисного обслуживания сервисным центром компании Метсо Автоматизация.

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Цена отказа регулирующего клапана, работающего в составе высокоточного измерительного комплекса, очень высока и сопровождается значительно большими потерями, чем отказ обычного клапана. Для клапанов, работающих в измерительных комплексах, также характерны внезапные и постепенные отказы. Отдельно стоят постепенные метрологические отказы и сбои.

Как показано в некоторых работах, повышение метрологической надежности средств измерений стоит примерно в 3 раза дороже, чем повышение точности, в 9 раз дороже, чем повышение их чувствительности или конструктивной эффективности и в 250 раз дороже, чем повышение быстродействия. Такова цена обеспечения надежности измерительного комплекса. Ниже рассмотрим на примере, как повышение точности и надежности измерений сказывается на качестве регулирования.

Пример. Предприятие имеет следующие показатели работы КИП и А и арматуры:

– Коммуникации, основанные на HART протоколе.

– Основная система управления – Metso DNA

– Основное обеспечение – Metso Automation, (регулирующие и отсечные клапаны, датчики концентрации и анализаторы), АВВ – датчики температуры, давления и расхода, Е+Н – расходомеры, VEGA – регуляторы давления, ROSEMOUNT (управление температурой и давлением от HART DTM).

Устранение малых вариаций отмечалось при отклонении от заданного перемещения на клапане подачи химикатов. Отклонение до 0,8% обычно не так важно, но в этом случае оно имело очень большой эффект на рН воды. После регулирования, установки цифрового позиционера с возможностью самодиагностики и увеличения надежности измерений отклонение перемещения от заданного было уменьшено до 0,3% и вариации рН были соответственно уменьшены. Сейчас значение тревожного сигнала при отклонении перемещения от заданного для этого клапана установлено на величине не более 0,3%.»

Этот пример ясно показывает, как эффект от повышения метрологической точности и надежности при эксплуатации влияет на стабильность качества, и, как современные системы повышения точности и надежности, включая диагностику и предсказание трендов, оказывают положительный эффект на качество процесса.

ВНЕЗАПНЫЕ ОТКАЗЫ

В измерительных и регулирующих комплексах внезапные отказы занимают небольшое место, и их доля оценивается от 10 до 15%. При этом исследование причин внезапных отказов аппаратуры, выпускаемой отечественными заводами, показывает, что примерно 40% общего количества отказов происходит из-за ошибок при проектировании и инжиниринге, около 20% приходится на ошибки при производстве, 30% из-за неправильной эксплуатации и около 5% на естественный износ и старение. В этих условиях наиболее опасными, и по вероятности появления, и по трудности обнаружения являются постепенные метрологические отказы. Внезапные отказы бывают, как правило, редкими и случайными, проявляются в явной потере работоспособности. Встроенные датчики надежности и программа диагностики в этом случае позволит обнаружить неисправность уже на этапе калибровки при пуске системы или по выходу одного из анализируемых параметров за пределы «Алмазной диаграммы» (программно-диагностический комплекс FIELD CARE компании Метсо Автоматизация).

ПОСТЕПЕННЫЕ ОТКАЗЫ

По данным Минприбора до 40-60% от общего количества рекламаций относятся к рекламациям по выходу основной погрешности за пределы зоны допускаемых значений. В составе измерительных комплексов надежная работа регулирующего клапана оценивается дополнительными показателями. К ним относятся показатели, связанные с метрологической надежностью, а именно способностью клапана выдерживать показатели в пределах минимальной заданной погрешности. Они относятся к классу постепенных отказов, которые, к слову сказать, весьма трудно вычленяются и плохо выявляются без специальных приборов. А роль их весьма высока. Именно они еще до наступления полного отказа негативно влияют на регулирующую способность клапана, снижая показатели его работы. Этот тип отказа плохо выявляется, приводя к существенным перерасходам материалов, еще до момента обнаружения.

По опыту работы с предприятиями можно сказать, что, в основном, внезапные отказы определяются сразу и отражаются в рекламациях, постепенные обычно связываются с запросами клапанов на замену. В постепенных отказах можно выделить метрологические отказы, когда клапан еще работоспособен, но значения регулирования выходят за пределы минимальных допусков.

Улучшить характеристики надежности по постепенным отказам можно:

– уменьшением нестабильности основной погрешности регулирования для принятого гарантийного срока в 1-н год;

– улучшением метрологической надежности за счет постоянной диагностики.

ПОСТЕПЕННЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОТКАЗЫ

Специальным видом постепенных отказов в измерительных комплексах можно считать постепенные метрологические отказы. Они являются одним из основных видов отказов измерительных контуров. По данным исследований и расчетов надежности на долю таких отказов приходится от 70 до 90% отказов. Главным показателем качества измерений служит достоверность и стабильность метрологических характеристик во времени. Метрологические отказы происходят по причине постепенного увеличения минимально допускаемой погрешности со временем и выходом их из зоны допускаемых значений. Временная нестабильность погрешности приводит к выходу метрологических характеристик за допустимые пределы. При этом отказ открыто не проявляется, а обнаруживается только при диагностике и проверке. Главной проблемой оказывается предсказание точного времени, где вероятен метрологический отказ, т.е. выход контура регулирования за пределы основной погрешности.

Стабильность значений и отсутствие колебательности в регулировании должна обеспечиваться в первую очередь. Для этих целей для регулирующих клапанов фактор нагрузки не должен превышать 40% от возможной, он должен находиться основное рабочее время в зоне наиболее высокой регулирующей способности – открытие в диапазоне 50-70%. Для повышения точности должны устраняться все источники люфтов, трения и вводиться математически программируемая коррекция положения.

Учитывая важность изначальной метрологической готовности устройства к измерению, необходимо уже на этапе пуска в эксплуатацию заранее осуществить все виды калибровок и поверок. Делается это опытными специалистами при помощи специального оборудования. Это позволит снизить количество отказов на этапе пуска и гарантировать контролируемое изменение метрологических характеристик и их временную стабильность.

Методикой обеспечения работоспособности регулирующего клапана под требования метрологической надежности во избежание метрологических отказов является точный выбор клапана при помощи расчетных программ и специальная калибровка клапана по отклонению в стабильном состоянии и по динамическому отклонению. При этом точный расчет обеспечит правильный выбор клапана уже на этапе инжиниринга, а поддержание минимальных отклонений даст метрологическую надежность на этапе эксплуатации. Как уже понятно, эти отклонения должны быть меньше, чем отклонения, приводящие к выходу клапана из строя по постепенным отказам. Дополняя эти данные диагностическими данными по заеданию, положению золотника, рабочей нагрузке и нагрузке в стабильном состоянии, можно давать уверенные прогнозы по поддержанию временной стабильности регулирования и измерений и метрологической надежности контура измерения в целом.

С точки зрения борьбы с постепенными метрологическими отказами первоочередной задачей является ведение паспорта и первичной документации для обработки данных. Например, сервисный центр ЗАО Метсо Автоматизация, СПб имеет отработанные формы ведения такой документации и может проводить удаленную диагностику постепенных отказов с автоматической регистрацией в паспорте.

Учитывая сложности с кадрами на сегодняшний момент, необходимо все чаще предусматривать специальные действия по предотвращению ошибок персонала. Так, например, одна из наиболее распространенных ошибок заключается в следующем. При появлении ненормальности в работе измерительного контура, оператор совершает ряд неоправданных действий, вызванных стремлением быстро обнаружить ненормальность. Он пытается вращать любые регулируемые элементы, надеясь на случайность и выход устройства на нормальный режим, или самостоятельно разбирает устройство. Такие действия еще более расстраивают систему. После этого сложнее отыскать причину неисправности, требуется дополнительная регулировка, действия оператора же еще больше маскируют причину.

СБОИ

Сбои – это специфический вид отказов на регулирующих клапанах, работающих в составе цифровых измерительных устройств или позиционеров. С ростом применения цифровых устройств и общей интеллектуализации переход на цифровую технику будет необратим как в клапанах, так и в контурах регулирования. К достоинствам цифровой техники по сравнению с аналоговой относятся значительно большая помехоустойчивость, возможности интеллектуализации и встроенных вычислений. Уже намечены и следующие этапы развития интеллектуальных систем, включая самообучающиеся системы.

Теоретически, сбой – это событие, когда кратковременное превышение погрешностью измерительного устройства поля заданного допуска приводит к искажению результата измерения. Оно приводит, например, к искажению результатов и автоколебаниям в цифровых интеллектуальных позиционерах. Дополнительной проблемой является неправильно выбранный клапан заниженного размера, работающий с цифровым позиционером, когда контрольная точка не может быть достигнута даже при достижении клапаном предельного открытия. В этом случае клапан не в состоянии обеспечить слишком большое управляющее воздействие. Накапливаемая ошибка приводит к тому, что системы самодиагностики отключают клапан, вызывая непредвиденные остановы. Или позиционер сам себя переводит в контрольную точку, которую он знает точно. Или оператор сам отключает позиционер, избегая, таким образом, останова линии. При этом сбой самоустраняется, благодаря сбросу накопленной ошибки.

Вызываются сбои случайными причинами, непониманием особенностей эксплуатации. Зачастую, именно отсутствие квалифицированного обслуживания приводит к «регрессу» и переходу с цифровых позиционеров на аналоговые, что не раз наблюдалось на предприятиях отрасли.

Для повышения надежности интеллектуальных устройств особенно важно избегать субъективных ошибок и выполнять работы при помощи специалистов высокой квалификации. Так, большая часть вопросов, поступающих от предприятий отрасли, связана с работой позиционеров, наладки и обслуживания. К числу наиболее частых ошибок можно отнести нарушение правил включения и выключения, нарушение порядка проведения профилактических работ, вскрытие герметичного корпуса, неправильная настройка и регулировка.

Следует учесть, что клапаны в составе измерительных комплексов, как правило, не резервируются, что накладывает дополнительные требования по надежности. Для таких регулирующих клапанов следует учесть особенности отказов в момент пуска, приработки, нормальной эксплуатации, аварийных режимов и этапа старения. На первом этапе важно предусматривать калибровку, тренировку системы, тестирование, а пуск и наладку лучше проводить силами сервисной организации завода – изготовителя. На этапе нормальной эксплуатации важны элементы диагностики специальными средствами, позволяющими выявить метрологические отказы. На этапе старения необходимо уметь прогнозировать остаточный ресурс, а с целью замены выходящих из строя элементов – предусматривать в своих технических заданиях модульность исполнения.

РАСЧЕТ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ

Учитывая сложности статистического учета на действующем производстве и по технологическим линиям, можно предложить подход, используемый компанией Метсо. Компания применяет подход с применением своей программной оболочки Bernie, где ведется статистика запросов предприятий отрасли по каждому комбинату. В этом случае она достаточно точно отразит состояние клапанов по комплексному эксплуатационному показателю, характеризующему в среднем влияние комплекса используемых режимов работы и внешних условий на данном комбинате. Эти данные в первом приближении и с поправкой на применение клапанов в измерительных устройствах можно принять по табл.2.11.

Табл. 2.11. Значение комплексного эксплуатационного коэффициента, характеризующего различные теплопотребляющие производства ЦБП

Для расчета характеристик метрологической надежности клапана компания METSO AUTOMATION предлагает шире пользоваться возможностями специального диагностического оборудования на основе программы FIELD CARE. Заметим, что метрологические отказы обнаруживаются только при наличии встроенных датчиков и сенсоров, реагирующих на входные тестовые воздействия программы. При использовании FIELD CARE появляется возможность рассчитать тренды, определить скорость изменения выходных статистических характеристик, дать прогноз состояния, определить остаточный ресурс, назначить удлиненные межпроверочные и межремонтные сроки, проанализировать причины выхода из строя и вероятность появления аналогичной неисправности, в целом выявить слабые узлы с точки зрения потери метрологической надежности (постепенные отказы, перемежающиеся отказы и сбои). Особенно стоит отметить возможности выявления мест нестабильности поведения метрологических характеристик. После этого можно предусмотреть обоснованные сроки профилактики, снизить объем профилактических работ, подготовить необходимое проверочное оборудование, сгруппировать ремонты и поверки, и даже защитить свои документы по поверке перед инспектирующими организациями, например, Ростехнадзор.

Повышение расчетных характеристик норм надежности – одна из наиболее важных задач на современном этапе. Рост нормы надежности самого клапана позволяет не затрачивать дополнительные средства на повышение норм надежности, не снижать требования к тяжести режима и не облегчать режимы работы элементов и тем более не проводить резервирование. При этом можно руководствоваться данными табл., показывающей, какова норма надежности оборудования в конкретных условиях.

Табл. 2.12. Требования по мерам повышения надежности при различных потоках отказов измерительных комплексов ЦБП

Хотим напомнить, что количественные характеристики надежности, приводимые в справочниках, определяются при нормальных условиях эксплуатации при обычной температуре окружающей среды, давлении воздуха, минимальном коэффициенте нагрузки. В реальных условиях эти показатели резко отличаются. Так, если при нормальных условиях запорный клапан имеет интенсивность отказов примерно 3,4, то в реальных условиях, интенсивность отказов увеличивается до 6 раз и составляет уже 20,7.

СВЯЗЬ НАДЕЖНОСТИ С ПАРАМЕТРАМИ РАБОТЫ КЛАПАНА

Надежность работы клапана связана как с технологией и самим процессом, так и с особенностями конструкции клапана. Для определения связи работы клапана с его надежностью ниже приводим таблицу классификации отказов, характерных для клапанов, табл. 2.13.

Табл. 2.13. Классификация отказов клапанов

Наиболее часто в клапанах происходит механическое повреждение поверхности. Поверхностное разрушение по сравнению с объемным является наиболее частой причиной отказов – до 80-85%. В целом, действие разрушающих факторов можно связать с работой клапана по следующим этапам:

1. Начальный этап – приоткрытие затвора – значительный перепад давлений и соответствующие ему высокие изгибающие нагрузки. Щелевое течение потока с высокой скоростью с сопутствующим высоким эрозионным и кавитационным эффектом. Наличие вскипания и микроповреждений поверхности. Уплотнения и края затвора, покрытия работают в анормальных условиях.

2. Постепенное открытие клапана на величину регулирования. Нормальный режим и истечение потока. Естественный износ. Длительное воздействие. Небольшие силовые и циклические нагрузки.

3. Закрытие клапана. Резкий рост момента на закрытие и механических напряжений на больших углах закрытия. Пульсации и возможность гидравлического удара. Возрастание скорости потока и затем его снижение при закрытии. Возможность эрозионных явлений. Характерны явления фильтрации (для шламов и пульп).

Таким образом, цикл является асимметричным. Воздействие на детали носит знакопеременный и пульсирующий характер. С работой в условиях высокой цикличности возрастает требование к усталостным характеристикам изделия и его кавитационно и эрозионностойкости.

Где эти знания применимы? Так, например, на участках со значительными постоянными пульсациями, как после насосов или колен, дисковые затворы при их неправильной установке работают значительно хуже. На этих участках выражены пульсации и связанные с ними явления. Для повышения надежности в работе на этих участках необходимо устанавливать клапаны с повышенной жесткостью исполнения. Участки с высокой цикличностью – там, где требуется часто обеспечивать периодичность ведения процесса. Например, на грязевиках, участках дозирования и др. Здесь будет выражена проблема работы клапана на начальном участке открытия или закрытия. Возрастают требования к поддержанию размерной стабильности, усталостным явлениям, жесткости, кавитационной и эрозионной устойчивости в момент открытия клапана.

Исследования влияния воздуха, растворенного в воде и суспензиях, при выполнении различных технологических процессов показывают, что в них количество воздуха может составлять 1-8% по объему. Свободный воздух может находиться в виде пузырьков и вовлекаться в массу при ее приготовлении и обработке. Связный воздух представлен мельчайшими пузырьками, удерживаемыми молекулярными силами, а также частично растворен в пульпе. Газообразные включения помимо влияния на характеристики насосов, вызывают колебания расхода вследствие неодинакового изменения объема жидкости и газа при изменении давления. При уменьшении давления, особенно при проходе через суженную область клапана и разрежении, объем воздуха резко увеличивается при практически постоянном объеме жидкости. Это явление характерно как для всаса насоса, так и участком за клапаном, имеющим высокое гидравлическое сопротивление, и где уже не происходит восстановления давления.

Наличие значительного числа газообразных включений в перекачиваемой пульпе в результате разрежения и центробежного эффекта рабочего колеса центробежного насоса, способствующего отделению газа от жидкости, приводит к образованию воздушных пробок. Они способствуют уменьшению расхода и его нарушению, приводят к неустойчивой работе и возможно разрыву струи. Нарушение в работе может произойти даже при значительном подпоре, если количество воздуха велико.

За большой срок работы клапана, а сейчас он оценивается в 10-30 лет, влияние даже небольших пульсаций, но в частом режиме, а также амплитудные пульсации и гидравлические удары, часто сопровождаемые коррозионным воздействием (коррозия под напряжением) приводят к существенному росту усталостных явлений в корпусе клапана. Примером тому может служить разрушение корпуса клапанов даже после проверки по требованиям на гидроплотность. Избежать этого можно, еще раз убедившись в том, что материал корпуса по-прежнему пригоден для работы.

Одной из причин могут быть не только усталостные явления, но и старение, в т.ч. стабильного аустенита и превращение его под воздействием постоянно действующего пульсирующего циклического напряжения в хрупкую фазу. Чтобы разрешить эту задачу, требуется проводить дополнительный комплекс исследований на наличие хрупких фаз, образовавшихся в аустените при старении, и коррозионных разрушений при помощи специальных видов металловедческого анализа.

При длительном хранении в неблагоприятных условиях, также возможна деформация, как затвора, так и клапана. При этом, если для обычных механизмов это было бы незаметно, то для клапанов с прецизионным исполнением уплотнительных поверхностей такая проблема сразу выявляется. Причиной этому также может быть изменение фазового состава стали и превращения аустенита в другие фазы, приводящие к деформациям.

ВЛИЯНИЕ ЭРОЗИИ И КАВИТАЦИИ НА НАДЕЖНОСТЬ

Из различных процессов, влияющих на надежность работы клапанов в пределах нормального износа, необходимо выделить эрозию. Выделять эрозию приходится потому, что она относится к наиболее частому механическому повреждению рабочих поверхностей клапанов. Она разрушает рабочие поверхности клапана под действием динамических потоков жидкости, газов с образованием питтингов, каверн, раковин. Если кавитацию можно ограничить или предусмотреть ее полное устранение при использовании специальных элементов Q-TRIM, то с эрозией дело сложнее. Из всех видов эрозионного разрушения – механохимической, микроударной, термической или электрической следует выделить микроударную, как ведущий механизм эрозионного разрушения. Она также связана с кавитацией. Остальные характерны для нормальных условий работы и не приводят к наиболее быстрой потере надежности и отказам, особенно в моменты закрытия клапанов, когда эрозия будет пропорциональна скорости в геометрической прогрессии.

Сама эрозия может возникать как пограничная – вблизи крутообтекаемых тел, срывная – в области срывных течений, из-за плохого обтекания тел, щелевая – при высоких скоростях движения потока в щелях, через которые прорывается жидкость. При этом возникают и локальные гидравлические удары большой силы, и значительные пульсации. Для примера можно сказать, что при определенных типах кавитационно-эрозионных процессов на площади в 1 см² в течение 1 сек. может образовываться и схлопываться более 30 млн. кавитационных пузырьков.

При неправильном расчете материалов затвора и седла или неправильном направлении эрозионного потока он может направляться не на наиболее износостойкие седла, а на менее износоустойчивую поверхность шара, в результате чего будет происходить значительно более быстрая потеря надежности и увеличивается вероятность отказа.

ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИИ НА МЕТРОЛОГИЧЕСКУЮ НАДЕЖНОСТЬ

Влияние кавитации обычно связывают исключительно с отрицательным воздействием на механические части и значительным развитием шума и вибрации. Однако также важно учитывать и такие выходные параметры как рождение турбулентности. Возникают и соответствующие проблемы, такие как ухудшение условий течения потока, вероятность внезапных пульсаций давления и расхода, рост газонасыщенности потока. Из них наиболее серьезно снизят точность и надежность регулирования пульсации давления и расхода. Динамическая ошибка из-за растущей нелинейности движения потока и отклонения от основной расходной характеристики будет резко возрастать.

Из гидравлических характеристик снижается величина пропускной способности, повышается коэффициент гидравлического сопротивления, искажается вид пропускной характеристики. Может наступить такой момент, когда с увеличением перепада давления на клапане расход через клапан остается неизменным и регулирование как таковое прекратится.

Учитывая, что кавитация, как правило, возникает при определенном перепаде давления и расходе, ее появление может проявляться в работе клапана как сбой. Например, при малых углах открытия клапана и определенном перепаде давления увеличивается расход и может возникать временный переход в кавитационный режим. Если клапан рассчитан неправильно и все время работает в условиях малого диапазона регулирования, то такой кавитационный режим может быть постоянным.

В связи с вышеизложенным, регулирующую арматуру следует проверять на возможность возникновения кавитации. Проверка проводится на предельно допустимый бескавитационный перепад давлений на клапане в зависимости от среды, условий течения ламинарного или турбулентного потока и числа Рейнольдса. Расчет на бескавитационный режим проводится в расчетных компьютерных программах типа Conval, Nelprof и др.

ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИИ НА НАДЕЖНОСТЬ

Для определения связи параметров надежности с коррозией приведем простой пример. Так, все элементы клапана, соприкасающиеся с агрессивной средой, рассчитываются на коррозионную устойчивость в этой среде. Из 10 элементов, соприкасающихся со средой, если всего один будет неустойчив, то такой клапан будет неработоспособен.

Для работы арматуры в условиях коррозии характерно дискретное распределение. Функционально это будет отказ в связи с утечками агрессивной среды. Вероятность того, что из 1000 клапанов 900 будут работать безотказно, с учетом ограничений по коррозионной стойкости одного из элементов (9%) и связи его с потерей герметичности (7%) равна при биноминальном дискретном распределении примерно только 0,32. Это означает, что даже при потере надежности всего лишь одного элемента в клапане, надежность всего изделия при большой выборке (1000 шт.) будет падать существенно, и каждый 3 клапан будет находиться в состоянии постоянно увеличивающегося вероятного отказа по критерию коррозии и утечкам. Постоянное увеличение вероятности отказа здесь будет связано с ростом коррозионных явлений со временем. Полная картина надежности может быть собрана при достаточно большом объеме статистики.

В этом плане дальнейшее рассмотрение надежности каждого элемента, подбор деталей и элементов клапана равной долговечности для выхода на определенный период работы с облегчением обслуживания является одним из преимуществ высоконадежных клапанов.

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА НАДЕЖНОСТЬ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦИЙ В КЛАПАНАХ

Пульсации давления и связанные с ними вибрации возникают на многих участках. Пульсации – это периодические скачки давления высокой частоты, часто возникающие при действии вращающихся узлов. Возникающие волны давления распространяются во все стороны со скоростью звука, и эта скорость определяется содержанием воздуха в массе, уровнем давления и свойствами технологического оборудования. Пульсации с частотой ниже 30 Гц являются наиболее проблематичными, поскольку они могут распространяться бесконтрольно даже вплоть до контуров питательной воды, вызывая, таким образом, колебания расхода пара. Традиционный спектр пульсаций, возникающий из-за волн давления, в связи с работой различных узлов приведен в табл.2.14.

Табл. 2.14. Характеристики пульсаций оборудования

Пульсации высокой частоты характерны для быстровращающихся узлов оборудования. К таким узлам относятся насосы. Изменение числа лопаток крыльчатки у насоса и их расположения существенно влияют на частотные характеристики волн концентрации и давления.

Пульсации средней частоты характерны для элементов, работающих периодически, например, узлов с контурами разбавления, нагрузки\разгрузки линий. К ним, в частности, могут относиться грязевики песочниц, циклонов, вихревых очистителей, и других узлов, работающих периодически.

Пульсации низкой частоты связаны с элементами, осуществляющими загрузку или открытие\закрытие всей линии. Для них, как правило, характерны высокие значения расходов среды.

Нерегулярные пульсации могут быть связаны с несбалансированной работой оборудования, наличием вибрации и износа. Так, при расшифровке диаграммы пульсации потока может выясниться, что пульсация может быть связана с износом насоса или малым количеством лопаток в рабочем колесе насоса.

Собственные пульсации возникают в среде, при таких явлениях как кавитация, когда происходит вскипание жидкости с образованием пара или выделением газа из газонасыщенных жидкостей. Турбулентность сохраняется на значительном расстоянии от места образования кавитационной области. Это особенно необходимо учитывать при установке клапанов на участках, характеризующихся высокими перепадами давлений.

Пульсации могут возникать и в связи с изменением характера движения среды по трубопроводу, расслоением и осаждением взвесей. В качестве примера можно привести изменение профиля скоростей и концентраций течения жидкости при течении через колена и сужения. Образующаяся турбулентность увеличивает пульсации концентраций по сечению трубопровода и приводит к неравномерной по времени нагрузке на запирающие элементы клапанов.

Пульсации, усиленные неравномерным распределением скоростей по сечению трубопровода, приводят к быстрому выходу клапана из строя. Так, неправильная установка и монтаж поворотной заслонки перпендикулярно продольной оси колена за насосом без учета особенностей распределения скоростей и задаваемой пульсации, быстро приводит к потере герметичности или расшатыванию всех соединений и протечкам.

Пульсации концентрации и давления серьезным образом воздействуют на всю систему гидротранспорта. Причины и последствия воздействия пульсаций на трубопроводы в технологических схемах приведены в табл. 2.15.

Табл. 2.15. Причины и последствия пульсаций в трубопроводах

Как видно из таблицы, все причины появления волн давления и гидроударов в системе связаны с открытием или закрытием клапанов.

В технологических схемах особенным образом выступает и поведение потока при быстром открытии линии. В этом случае из-за особенностей т.н. «стержневого течения» поток может двигаться с нарастающим ускорением в виде пробки. Если в трубопроводе при этом был только воздух, то, как правило, не избежать сильного гидравлического удара в системе и в основном по следующему по ходу движения потока элементу. Частая технологическая ошибка состоит в том, что клапаны открываются или закрываются в соответствии с внезапно возникшей производственной задачей, без соблюдения технологического регламента пуска или останова.

Пульсации особенным образом воздействуют на клапаны. Известны случаи, когда при неправильно подобранном запирающем элементе с креплением болтами за незначительное время происходило вывинчивание таких болтов и заклинивание клапана даже при незначительном сроке эксплуатации. Сильные пульсации в совокупности с гидроударом могут приводить к вылету штока из запирающего элемента и нанести существенный вред жизни и здоровью обслуживающего персонала.

Источником пульсаций и волн давления является и сам клапан. В соответствии с характеристикой изменения момента сил при закрытии, максимальная волна давления, отдаваемая в поток, происходит в момент, когда угол закрытия составляет примерно 85-95%. Это особенно выражено у всех видов шиберных задвижек и поворотных заслонок. Чтобы избежать слишком сильной волны давления необходимо медленно закрывать клапан на последнем участке и тем самым избежать резкого гидроудара в системе.

Плохая калибровка позиционера, неправильная задача командного сигнала со стороны системы управления приводит к разгону клапана и работе в режиме автоколебаний. Вынужденные автоколебания задают регулярные пульсации потока. Из-за особенностей реологических свойств и течения сложных смесей пульсации концентрации могут сохраняться на всем протяжении трубопроводной части до следующего технологического элемента.

ТРЕБОВАНИЯ К КЛАПАНАМ И АРМАТУРЕ

Фактор пульсаций, как связанный с надежностью и работоспособностью клапанов, пока не учитывается в их основных спецификациях. Только у нескольких фирм можно встретить информацию о характеристиках работы клапанов в условиях повышенных пульсаций, в частности, данные по ограничениям вибрации или по рекомендованным конструкциям для повышения надежности клапана.

Чтобы сгладить воздействие пульсаций и гидроударов и «мягких» гидроконцентрационных ударов на работу клапанов необходимо использовать специальную конструкцию клапана. Так для сглаживания волн давления, расхода или концентрации должно учитываться следующее:

– Клапаны, работающие в условиях гидроудара, должны предусматривать специальные решения для повышения надежности в условиях мало и высокоцикловой нагрузки.

– Надежность в условиях гидроудара должна учитываться в конструкции клапана.

– Для исключения образования пульсаций собственно от закрытия\открытия клапана, в нем должны быть предусмотрены предохранительные схемы сглаживания давления при помощи дополнительных устройств.

– Время срабатывания при открытии и закрытии клапана должно соответствовать требованиям образования или затухания волны давления и пульсаций для устранения гидравлического удара. Открывание и закрывание клапана должно происходить, как правило, медленно.

– Время реакции клапана на сигнал должно быть минимальны.

ПРИМЕНЕНИЕ КЛАПАНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ГИДРОУДАРОВ

Гидроудары могут появляться в системе нерегулярно или периодически. Предсказуемыми являются только те, которые связаны с задаваемой работой технологического оборудования. К ним относятся, например:

– пуск\останов насоса

– быстрое опорожнение\заполнение емкости, технологического узла

– автоматическое перекрытие линии клапанами.

Непредсказуемыми являются процессы пульсаций, возникающие из-за отклонений в технологическом процессе. Они могут приводить к:

– кавитации

– повышенной виброактивности

– нарушению работоспособности.

Для условий пуска \останова насосов выбираются обычные клапаны с возможностью, как отсечки, так и регулирования.

Для условий быстрого опорожнения линии, а также в варианте предохранительного клапана для быстрого опорожнения линии клапаны должны иметь следующие особенности:

– Высокие коэффициенты пропускной способности клапанов (Кv): для обеспечения защиты трубопровода от волн давления потребуются меньшие размеры и (или) меньшее число таких клапанов. Этим обеспечивается снижение расходов на установку и снижение веса систем защиты трубопроводов.

– Быстродействие – быстрое открытие и плавное закрытие клапанов позволяют своевременное реагирование на изменение давления в системе жидкости.

– Дополнительный резерв по пропускной способности позволяет справляться с непредвиденными, более высокими, чем расчетные, скачками давления систем.

– Жесткость конструкции, исключает такие проблемы, как утечку среды через сальниковые уплотнения, разрыв элементов и их деформацию, что обычно приводит к выходу из строя клапанов.

– Простота обслуживания и надежность конструкции.

Для условий работы при автоматическом перекрытии линии автоматическими клапанами при условии возникновения гидроудара и пульсаций, клапаны должны иметь элементы повышения надежности. К ним относятся несколько основных элементов. Это такие элементы как:

– Жесткое соединение шара с осью, механизм противостояния выдавливанию оси, специальные способы запирания седел. Компания Метsо Automation использует для этих целей цельнолитой шар-ось «Stem Ball», исключающий возможность разъединения шара с осью, его заклинивание и потерю работоспособности.

– Специальный конструктивный элемент безопасности от выдавливания оси. Элементом повышения промышленной безопасности служит специальный литой элемент на клапане, с целью предотвращения выдавливания оси из своего гнезда. В этом случае предотвращается риск нанесения ущерба жизни и здоровью персонала, катастрофических аварий и наружных утечек среды.

– Специальное соединение клапана с приводом. Это специальный кронштейн для соединения оси с приводом.

– Позиционеры, способные работать в условиях высокой вибрации.

– Специальный инструментарий, включающий конечные выключатели типа SWITH GUARD, позволяющий обеспечить медленное открытие клапанов, работающих на создание гидроудара или медленное закрытие клапанов, работающих на создание обратного гидроудара. Для преодоления большого поворотного момента накоплении давления при закрытии шарового или дискового затвора при медленном закрытии может быть установлен бустер – усилитель давления.

– Учитывая, что при гидравлическом ударе обычно начинается протечка по фланцам, что и служит признаком повторяющихся гидравлических ударов, следует отметить возможность применения фланцев с поверхностями, выполненных по варианту «шип-паз».

Типы рекомендуемых клапанов METSO AUTOMATION для условий высоких пульсаций и гидроударов приведены ниже, табл.2.16.

Табл. 2.16. Типы клапанов Метсо, применяемых для условий высоких пульсаций и гидроударов

ВИБРАЦИЯ В СИСТЕМАХ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КЛАПАНОВ

Клапаны испытывают нагрузки от вибрации. Наиболее часто это происходит в системах парораспределения. Эти проблемы встречаются в турбинном хозяйстве, ТЭС и ТЭЦ, системах подачи пара СРК и в пароконденсатных системах.

При эксплуатации систем парораспределения, особенно турбинного хозяйства, отмечаются систематические повреждения органов парораспределения. В большинстве случаев повреждения обусловлены обрывами штоков регулирующих клапанов, искажениями прилегания чаши к седлу, выпрессовкой седел, а также отклонениями в фиксации сегментов седел регулирующей ступени. К наиболее распространенным неполадкам в системах парораспределения относятся износ элементов подвески штоков, уплотнительных букс и поршневых колец. Износу подвергаются также тяги, серьги, подвески, ограничительные шпильки прижимных пружин, элементы шарнирных соединений и детали передачи усилий от сервомоторов.

При этом анализ характера повреждений, выполненных в работах ЦКТИ, ЛМЗ, МЭИ свидетельствуют об их вибрационном происхождении. Причина частых повреждений и поломок различных элементов систем парораспределения связана с наличием низко и высокочастотных колебаний, приводящих к относительно быстрому набору критического числа циклов нагружения, прежде всего деталей конструкций различных регулирующих клапанов. Например, за три часа эксплуатации детали при частоте нагружения f=100Гц число циклов достигает значения 10⁶. Зачастую высокочастотные колебания сопровождаются характерными звуковыми эффектами («пение» клапанов). Отмечаемые эффекты в форме «стука отбойного молотка» свидетельствуют о наличии низкочастотных колебаний. В результате прогрессируют усталостные явления, включая малоцикловую и звуковую усталость.

Основными причинами неустойчивой работы регулирующих клапанов систем парораспределения являются автоколебательные процессы в связи с эффектами статической неустойчивости, перемена знака усилия по мере открытия клапана. Продольные автоколебания могут формироваться вследствие инерционности потока рабочей среды, когда помимо парового усилия на чаше появляется дополнительная возмущающая сила. При совпадении частоты основного тона продольных колебаний чаши и штока клапана с собственными частотами парового объема, например, патрубков подвода рабочей среды возникают акустические резонансы, приводящие к росту амплитуды колебаний за чашей клапана. При наиболее критических режимах, например, сверхкритическом режиме течения рабочей среды, пульсации давления приводят в действие переменные усилия в окружном направлении с амплитудами в несколько десятков кN, а в осевом направлении – сотен кN. Они и становятся причиной повреждения, как клапанов, так и сопряженных узлов.

К способам повышения вибрационной надежности относятся отстройка от резонанса путем изменения собственных частот механических колебаний клапанной системы, а также частоты внешних возмущений путем изменения геометрии, массы и размеров (длины и диаметра штока клапана, массы сегмента затвора и пр.). В некоторых случаях кардинальной мерой является полная замена конструкции клапана с изменением посадочных размеров.

Известно, что виброактивность регулирующих клапанов резко возрастает не только при малых степенях открытия клапана, но и в области зоны перемены знака направления давления пара. В этом случае работа возмущающих сил увеличивается вследствие роста амплитуды колебаний из-за люфтов в сочленениях элементов затвора клапана или его передаточных звеньев. В связи с этим эффективными будут нейтрализация люфтов, устранение неплотностей и подтяжка резьбовых соединений. Кардинальным методом является использование литых жестких затворов, прямая связь штока затвора с приводом и посадка позиционеров на привод.

Важным является и снижение вибраций клапанов за счет элементов демпфирования. В этом случае недопустима приварка специальных демпфирующих кронштейнов к корпусу клапанов, как это иногда встречается на предприятиях.

Технологически вибрации можно гасить, если нагрузка или расход клапана повышается совместно с его открытием и выводом из виброактивной области малого угла открытия клапана.

Если необходимо в течение длительного времени поддерживать заданную нагрузку, то необходимо осуществлять перестройку системы регулирования, изменяя последовательность открытия регулирующих контуров и клапанов в них.

Очевидно, что неустойчивость в работе регулирующего клапана определяется нестационарными процессами в его проточной части. Это такие процессы как источники автоколебаний. Они классифицируются по акустической, волновой и вихревой формам. Например, считается, что акустическая неустойчивость обусловлена особенностями течения струи пара в области чаши клапана. Она, как акустическая система выбирает из поступающей в нее рабочей среды – шума соответствующие полосы частот и усиливает их. Усиление колебаний происходит в том случае, если скорость поступления энергии в данной полосе колебаний превышает скорость диссипации (затухания) энергии. Основными факторами усиления колебаний здесь являются регулярные пульсации давления и изменения проходных сечений системы.

Частоты колебаний определяются формой подсоединенных трубопроводов, скоростью звука в рабочей среде. При данном виде неустойчивости могут возбуждаться как продольные, так и радиальные колебания. Волновая неустойчивость оценивается эффектами сверхзвуковых течений, которые могут происходить в области затвора клапана при малых его открытиях. Частотные характеристики колебаний в этом случае формируются нестационарностью различных видов волновых явлений (скачки уплотнений, волны разрежения и сжатия).

Вихревая неустойчивость определяется эффектами вихревых образований и закрутки потока. При движении вихрей с частотами, совпадающими или превышающими в определенной пропорции собственные акустические колебания проточной части, возникают явления резонанса, при котором амплитуда пульсаций давления существенно возрастает. Поскольку течение в клапане и за затвором клапана является закрученным, то могут формироваться совместные колебания и потока, и затвора. Если эта частота совпадает с собственной частотой акустических колебаний, то происходит возбуждение колебаний. Обычно вихревое ядро за затвором клапана формирует низкочастотные колебания давлений большой амплитуды. Резонирующими полостями являются также трубы и патрубки подвода пара к клапану. В целом рождается неустойчивость всей системы – трубопровода подвода пара, самого клапана и последующей регулирующей ступени. При этом каждый компонент реагирует с определенным запаздыванием. Это вызывает зависящие от частоты входящего импульса сдвиг фазы и изменение амплитуды в возмущения.

Для турбин повышенная вибрация клапанов влияет и на вибрации самой турбины, особенно ротора высокого давления. На ротор воздействуют пульсации давления (расхода) водяного пара, расширяющегося в той части, где работает вибронеустойчивый клапан. Из-за повышенной вибрации валопровода турбины повреждаются ее подшипники. Такие режимы возникают при переходных режимах и неполной нагрузке турбоагрегата, а также когда турбина работает в неустойчивом режиме и режиме частых пусков и остановов. Даже в режиме длительной постоянной нагрузки на турбине для потоков пара характерен нестационарный режим течения. Уровень пульсаций для различных частотных спектров может достигать до 1,2-1,7 МПа. Такой уровень пульсаций является причиной сокращения ресурса наиболее слабых элементов парораспределения.

Частота пульсаций давления в регулирующих клапанах турбин также существенно зависит от режима нагрузки турбоагрегата. Тренды частот различны, вплоть до скачкообразных. Стабильность частотных характеристик наблюдается только в установившихся режимах течения при нагрузках, близких к номинальным. Особенно неблагоприятны режимы несения частичных нагрузок при малых степенях открытия затвора регулирующего клапана и не только из-за нестационарности процесса в клапане, но и из-за изменения характеристик потока в котельном агрегате и паропроводе. Т.е. даже при удовлетворительном сопротивлении вибрации клапана амплитуда пульсаций среды за ним может быть высокой. И это не только накопление усталостных эффектов, но и резкие скачки уровня вибрации опор валопровода.

При пусковых режимах пульсации начинаются с момента открытия клапанов. По отношению к уровню давления рабочей среды после клапана их уровень достаточно высок и достигает 15-25% с уровнем до 1,6 МПа. При этом регулирующий клапан в момент открытия генерирует высокочастотные пульсации давления. В зависимости от степени открытия клапана, превалирующие частоты изменяются. И, как правило, с открытием клапана частота пульсаций падает.

В целом уровень пульсаций давления пара после его дросселирования по отношению к давлению может достигать 30% при относительно высоких частотах. Образование пульсаций чувствительно даже к небольшим отклонениям положения штоков клапанов. Пульсации имеют тенденцию к росту при повышении нагрузки и после определенной границы начинают снижаться. Стабильность частоты пульсаций характерна только в условиях установившегося режима эксплуатации ТЭЦ.

Наибольшая степень влияния пульсаций давления в регулирующих клапанах наблюдается на ближайших к ним областях валопровода. При открытии регулирующих клапанов на турбинах происходит скачкообразный рост виброскорости из-за ударного воздействия пара за клапаном при его открытии. При этом изменяется вектор окружной составляющей этой силы. Корреляции всплесков вибрации с определенными частотами возбуждения регулирующих клапанов свидетельствует о начале автоколебаний.

Большие проблемы вызывают т.н. квазистационарные вибрации, рождающиеся из взаимосвязи направленности виброскорости по времени или нагрузке и соответствующих пульсаций в клапанах. Причинами квазистационарной вибрации могут быть и тепловые дисбалансы, режимная и тепловая расцентровка и др. В ряде случаев наблюдается скачкообразный характер изменения параметра интенсивности вибраций, и его повышенный уровень. Существенный вклад должна вносить аэродинамическая нестационарность процесса, влияющая на нестационарный характер колебаний и вибрации турбины. Признаком такой вибрации от процессов в системе парораспределения может служить увеличение вибрации мелкими скачками, неравномерно распределенными по времени. Другим признаком может быть избирательность неравномерности вибрации по частотному диапазону, соответствующему собственным частотам колебаний регулирующих клапанов.

Признаком автоколебательных и акустических явлений в системе парораспределения можно считать богатый спектр высокочастотных составляющих пульсаций. Однако однозначную трактовку дать достаточно трудно. Так, при отрыве затвора от седла могут возникать ударные нагрузки из-за высоких уровней пульсаций давления. Они, в свою очередь, вызовут сложные колебания и вибрацию сопряженных узлов.

Сложно диагностируются акустические эффекты в системе парораспределения. Например, наличие при малых степенях открытия клапана сверхзвуковых течений в области его чаши приводит к возможности формирования акустических резонансов. В большей степени подобные эффекты могут инициировать разного рода отрывы потока, а также поперечные колебания затворов клапанов.

Как показано в исследованиях ЦКТИ, среди таких определяющих факторов влияния на повреждаемость подшипников, как особенности центровки подшипников и линии валопровода, эксплуатационные расцентровки опор под воздействием валопровода и нагрева фундаментов, проблемы тепловых расширений цилиндров и скольжения корпусов подшипников по опорным поверхностям фундаментных рам, фактор влияния вибрационных характеристик системы парораспределения на уровень вибрации ротора турбины является равнозначным.

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИНЖИНИРИНГА.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ

Наиболее эффективный способ повышения надежности – использование критериев надежности уже на этапе проектирования. Например, рабочие зазоры в клапанах, в т.ч. и ремонтные, формируются из учета знаний эксплуатации клапана в конкретной рабочей среде, здесь же задаются параметры коррозионной стойкости для всех элементов клапана, соприкасающихся со средой. Зная характеристики максимальных и минимальных, а также номинальных значений давления, температуры, расхода, колебаний характеристик среды можно добиться повышения надежности уже на этапе проектирования клапана.

Правильно рассчитанные клапаны задают возможность их использования с повышением долговечности и дают возможность предложить специальные программы повышения надежности и гарантий для предприятий. На примере одного предприятия, где был установлен клапан завышенного размера, работавший в неэффективных для него условиях от 0 до 10% открытия, был обнаружен повышенный местный износ привода, высокий расход воздуха, работа всех систем проходила в нестабильных условиях.

Гарантии могут быть повышены, если специалисты предприятия пройдут обучение и будут аттестованы на расчет и применение клапанов, при ремонте будут использованы только оригинальные запасные части, ремонт будет производиться по процедурам и технологии завода изготовителя, клапан будет предварительно рассчитан, на него будет заведен технический паспорт, специалисты будут проходить периодическую переаттестацию, а до момента поставки клапан будет дополнительно тестирован в соответствии с условиями процесса. Приемку и тестовые испытания при необходимости желательно осуществлять в присутствии специалистов производителя и заказчика.

Надежность может понижаться постепенно в связи с постепенным износом, накоплением усталости и др. Однако, необходимо внимательно отнестись к каждому из элементов клапана, поскольку надежность каждого из них может отличаться в разы. Именно с этим связана проблема, где клапан при одних и тех же условиях может работать в несколько раз меньше. Обычно это связано с тем, что при расчете не был принят во внимание какой-либо из существенных параметров. И тогда один и тот же клапан может работать на одном процессе в 10-20 раз меньше, чем другой. Точное выделение наиболее слабого элемента, который и определяет надежность клапана в целом, и позволяет существенно повысить надежность и долговечность. Программы оказывают существенную помощь в выявлении слабых мест и перерасчете клапанов.

Особое внимание следует уделять элементам, испытывающим нагрузки от воздействия среды. Для шаровых, сегментных клапанов и поворотных заслонок наиболее характерными являются затворы, седла, штоки и уплотнения.

ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ КЛАПАНОВ

1.1. Дублирование. Например, используется двойное верхнее уплотнение.

1.2. Снижение вероятности катастрофических отказов за счет специальных конструктивных элементов, например, механизма против выдавливания оси

1.3. Использование специальных материалов, отвечающих требованиям эксплуатации. Например, поверхность шара – из специального хромового или нитридтитанового покрытия, поверхность седла – из стеллита.

1.4. Сменные и модульные элементы. Используются сменные седла, и иногда вся внутренняя начинка клапана может быть заменена на более соответствующие условиям эксплуатации.

1.5. Долговечность и надежность в течение длительного срока эксплуатации за счет использования самоочищающегося седла, наплавка седла стеллитом.

1.6. Разгрузка нагруженных элементов клапана, например через уравнивание давления. Так, разгрузка золотника на 99% приводит к снижению требований к мощности привода и устраняет трение в нем.

1.7. Специальная конструкция при высоких перепадах давления не допускает скачкообразного роста давления. Например, нет скачкообразного начала регулирования при открытии в связи с большим холостым ходом.

ПРИМЕРЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

1.8. Снижение разбега хода клапана, стремление к его работе в определенном диапазоне регулирования и углов открытия, или, наоборот, переход на другие углы открытия и участки регулирования для более равномерного износа.

1.9. Снижение величины хода клапана.

1.10. Увеличение мощности привода.

1.11. Интеллектуализация клапанов с системами диагностики для повышения их надежности.

1.12. Снижение износа и трения и условий их образования в запорных органах.

1.13. Снижение числа элементов, механически передающих вращение или энергию, включая такие решения как: повышение компактности, повышение жесткости каждого элемента, снижение боковых нагрузок, приводящих к изгибающему моменту и преждевременному износу сальников и механизма привода.

1.14. Повышение усталостных характеристик наиболее вращающихся элементов.

1.15. Снижение количества непрогнозируемых гидроударов и нагрузок, поверхностных напряжений.

1.16. Правильный выбор режимов работы клапана.

1.17. Снижение перегрузок в переходных режимах.

1.18. Использование 2-х дублирующих клапанов, выход из строя одного из них не должен сказываться на работе системы. Установка 2-х клапанов для поэтапного снижения давления с целью избежать кавитацию.

1.19. Повышение надежности контура регулирования начинается с клапана, как нижней ступени управления.

1.20. Элементы надежности и самоотключения, если сигналы не выполняются. Тревожный сигнал отсылается на верхний уровень управления.

1.21. Обеспечение высокой надежности в условиях нестабильности качества воздуха, изменений среды и др.

1.22. Возможность снижения объема обслуживания и участия обслуживающего персонала.

1.23. Создание инструментария на клапане с целью соответствия его характеристик поведению среды или технологического процесса полностью. Например, установка соленоидного вентиля для более плавного или быстрого открытия и медленного закрытия и др.

1.24. Совмещение функций. Качество поверхностей седла и уплотнения гарантирует полную герметичность закрытия, что позволяет использовать клапаны как регулирующие и в качестве запорной арматуры.

1.25. Использование конструкций клапана, которые позволяют демонтировать и заменять управляющие элементы без изъятия корпуса клапана из трубопровода и во многих случаях без прекращения его эксплуатации.

1.26. Плавная регулировка скорости реакции клапана на сигнал.

1.27. Установка скорости открытия клапана вне зависимости от скорости закрытия, установка и контроль скорости закрытия клапана. Блок управления включает в себя фильтр и возможность контроля давления до и после фильтра.

1.28. Фиксация параметров регулирования и защита от несанкционированного доступа к устройствам управления.

1.29. Переход в ППР от сплошного ТО к группировке элементов по кратности их наработки, заданной долговечности и других способов в ТО, реализуемых при поддержке специалистов сервисного центра.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

1. создание простых схем с широкими допусками

2. конструктивно надежные и проверенные узлы

3. калибровочные средства, особенно с автоматической поверкой нуля

4. сенсорные датчики внутри командных устройств позиционеров, которые обеспечивают связь с программами диагностики или автоматическую коррекцию

5. избыточное информационное быстродействие.

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

1. специальную "тренировку" подвижных элементов и многократное тестирование на специальных диагностических и испытательных стендах

2. калибровку всех элементов регулирующих клапанов как единой системы

3. выполнение всех предписаний ИСО по контролю качества

4. дополнительное и по желанию заказчика избыточное тестирование и проверки

ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1. выполнение шефмонтажных работ при пуско-наладке

2. выполнение диагностики, аудита с выполнением анализа статистики регулирующей эффективности клапанов, назначением остаточного ресурса, увеличения межповерочных сроков и др.

3. обучение и аттестация персонала

4. полный внешний сервис клапанов предприятия.

КЛАПАНЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ МЕТSО AUTOMATION

1. Клапаны высокой цикличности для условий высокой цикличности процесса, со средним сроком службы 1-3 млн. циклов без потери эластичности седел.

2. Клапаны антиабразивного исполнения с металлическими седлами с наплавленным специальным стеллитом. Для высокоабразивных сред предусматривается клапан со специальным обратным запорным элементом, с меньшей герметичностью, но позволяющий «забутовать» зазор твердой составляющей потока за счет небольшой фильтрации.

3. Клапаны повышенной жесткости с запорным элементом STEM BALL для условий повышенной пульсации потока и вибраций.

4. Клапаны в антикавитационном исполнении со специальным элементом Q-TRIM. Сюда же относятся и клапаны со специальными инструментами управления для предотвращения высокой эрозии и кавитации в момент открытия или закрытия. Они позволяют ускорить или замедлить открытие клапана, добиваясь при этом снижения вероятности образования кавитирующего или эрозионного потока на ранних стадиях его образования.

5. Клапаны с повышенной коррозионной стойкостью. Традиционная сталь 316 может быть поэтапно заменена на сталь с молибденом 317, хастеллой, высоконикелевый сплав, титановый сплав, и далее для особо агрессивных хлорных сред – стеклопластик. Новинкой здесь являются корпуса и затворы из дуплекс сталей с повышенной размерной стабильностью и коррозионной стойкостью.

6. Интеллектуальные клапаны – это клапаны последнего поколения. Именно здесь клапаны претерпели наибольшее развитие за последнее время. Получение цифровой информации о состоянии клапана, с высокой прогнозирующей способностью по межремонтному сроку открывает новые возможности для повышения эффективности регулирования и гарантий эксплуатационной надежности.

В связи с приведенным обзором, и оценивая надежность клапанов, предлагаемых разными поставщиками, можно задаться вопросами:

– какие устройства предусмотрел производитель клапанов для повышения надежности, снижения отказов, включая метрологические отказы и сбои?

– есть ли у клапанов системы внутренней диагностики?

– что сделано для снижения механического износа, эрозии и коррозии?

– предусмотрено ли это на этапе проектирования, изготовления и эксплуатации?

ЦЕНА НАДЕЖНОСТИ

Эффект от повышения надежности работы клапанов весьма многообразен. В первую очередь, на этапе выбора клапана надежность обеспечивается опытом компании и специальной многоступенчатой программой выбора и оптимизации.

На первом этапе внедрения для крупных предприятий, для которых имеется статистика эксплуатации клапанов, есть возможность расширить гарантийные обязательства компании, например, до 2-х лет при выполнении определенных условий.

Далее, клапаны высокой надежности с применением интеллектуальных инструментов и самодиагностики позволяют увеличить межремонтные сроки, снизить число внеплановых остановов, снизить количество проверок клапанов, снизить роль человеческого фактора и количество аварий, связанных с ошибками персонала, в целом снизить объем обслуживания, предсказывать надежность и работоспособность, долговечность клапанов до момента аварийного выхода из строя.

Еще не так давно, одним из способов оценки надежности клапана являлись чисто экономические причины, связанные в основном с общим пониманием связи роста затрат на надежность с отдачей от этих мероприятий. По этой теории величина суммарной стоимости проектирования, изготовления и эксплуатации в зависимости от надежности имеет выраженный максимум в пределах P=0,8-0,9. Однако за последнее время все больше становится ясно, что главным критерием должен стать в основном рост надежности, опережая требования к снижению затрат. Это действительно так, поскольку стоимость обслуживания ненадежного клапана в течение срока эксплуатации может превышать стоимость клапана по некоторым данным в 10-100 раз, особенно, если учитывается не только стоимость клапана, но и потери от не выпущенной продукции.

Надежность в первую очередь связана с потребительской стоимостью, т.е. стоимостью в процессе эксплуатации. В нашем аспекте – это стоимость с заданным уровнем надежности и сроком службы. Как известно, стоимость в процессе эксплуатации превышает затраты на приобретение в несколько раз и именно это является источником истинной потребительской стоимости арматуры и возможности истинного снижения затрат. Однако, поскольку показатели надежности не входят в цену, то и не учитываются при расчете финансовых показателей предприятия, возможности устранения аварий и др. Такое положение негативно сказывается на взаимодействии потребителей и производителей арматуры. И это также означает, что при рассмотрении цены изделий надо в полном объеме учитывать и «цену надежности», добавляя в контрактные и гарантийные обязательства такие важные показатели как вероятность безотказной работы, ресурс, наработка на отказ и др.

Реальное снижение затрат по примеру расчета экономической эффективности затрат на повышение надежности гидротранспорта можно свести в следующую табл.2.17..

Табл. 2.17. Сводный технико-экономический эффект от повышения надежности арматуры в системе гидротранспорта в целом

Основой расчета служат не только потери из-за аварийных внеплановых остановов, но и снижение пропускной способности системы в целом.

В результате расчета становится ясно, что при более высоких прогнозных значениях надежности ожидаемая пропускная способность производства и выпуска продукции будет больше, чем при низких. Кроме того, за счет внедрения диагностики, могут быть снижены затраты на ППР, а это в свою очередь увеличит время полезной пропускной способности за счет снижения общих потерь времени и увеличения коэффициента технического использования и готовности.

Изменения в структуре предприятий и выделение отделов автоматизации в отдельные дочерние предприятия позволяет по новому взглянуть на влияние новой структуры на проблему надежности. Поскольку финансовые затраты бюджетируются и должны быть фиксированы, то становится весьма актуальным обслуживание с минимальными затратами. Основой такого развития становится повышение надежности и увеличение межремонтных сроков при снижении трудозатрат как на поиск и диагностику неисправностей, так и их устранение.

Высокая надежность в сочетании с системами самодиагностики, интеллектуального управления и специализированными программами сервисного обслуживания позволяет:

– улучшить процесс регулирования и метрологическую надежность,

– получить возможность задавать более жесткие нормы расхода и более низкую колебательность процесса без вероятности ненормальной работы оборудования,

– осуществлять эффективное снижение затрат за счет определения коэффициента технической готовности и его выполнения,

– снизить количество плановых остановов на ППР и уменьшить длительность самих остановов, перейти к фиксированным ценам на обслуживание,

– снизить перегрузки персонала и утомляемость в момент аварий,

– улучшить использование активов.

В общем, внедрение полноценных мероприятий по повышению надежности увеличивает эффективность обслуживания на 40%. Переход предприятия в целом на цифровую технологию позволяет увеличить производительность, снизить потери, повысить эффективность работы предприятия до 2–5% и более.

Как итог работы над надежностью компании разрабатывают программы повышения надежности разного уровня, одна из которых приведена в блок вставке.

БЛОК-ВСТАВКА. ПРОГРАММА РАСШИРЕНИЯ ГАРАНТИЙ НА КЛАПАНЫ NELES ПРОИЗВОДСТВА METSO AUTOMATION

Целью программы является комплексное повышение сроков службы клапанов и предоставляемых гарантий за счет поэтапного совершенствования эксплуатационной надежности клапанов.

Детальные технико-коммерческие предложения разрабатываются поэтапно и по согласованию сторон.

Обоснование программы

Надежность является наиболее важной характеристикой клапанов. Ее повышение позволяет компании постепенно повысить эффективность эксплуатации клапанного хозяйства, увеличить отказоустойчивость по большинству видов отказов, включая метрологические отказы и сбои. Рост надежности работы клапанов и КИП состоит из увеличения общей надежности, эксплуатационной и метрологической надежности. Благодаря имеющейся у МЕТSO AUTOMATION статистике сроков использования клапанов на большинстве крупных и средних предприятий РФ, созданному сервисному центру, осуществляющему поддержку предприятий, существует очевидная возможность увеличить гарантийные сроки. Программа рассчитана на крупные предприятия, имеющие большую установленную базу клапанов NELES.

При внедрении диагностики кроме расширения сроков гарантии появляется реальная возможность перехода на прогрессивные методы обслуживания и ремонта, такие как увеличение сроков безотказной работы и использования клапанов по их равнонадежности, групповое обслуживание по равнонадежным элементам, переход на кратное обслуживание по группам клапанов, унификация и др.

Задачами программы являются:

– выявление критериев, по которым может быть проведено расширение сроков гарантий,

– определение способов повышения надежности и расширения сроков гарантий на их основе,

– разработка организации процесса внедрения программы.

Типичные проблемы надежности на предприятиях

– быстрое нарастание сложности систем по сравнению с обеспечением надежности,

– ведение технического обслуживания и ремонтов в основном по отказам без прогнозирования отказа,

– отсутствие данных на предприятиях, не ведется паспортная документация по состоянию клапанов,

– низкая достоверность прогнозов неисправностей и потеря метрологической надежности,

– недостаточное внедрение цифровой техники, не позволяющей давать не только диагноз состояния, но и прогноз и генезис возможных неисправностей,

– отсутствие специальных средств диагностики,

– высокая стоимость повышения квалификации персонала для решения этих проблем,

– не проводятся программы повышения надежности, включая внедрение диагностики, обменного фонда и др.

Предложения

1. Аудит клапанов с целью анализа их эксплуатационной надежности методами предварительного статистического анализа и аудита с применением диагностических инструментов сервисного центра. Калибровка клапанов под условиях метрологической надежности.

2. Аттестация специалистов предприятия по надежности клапанов и арматуры.

3. Начало работ по системе обменного фонда.

4. Активное внедрение цифровых позиционеров сначала на критических контурах регулирования, далее на наиболее важных и вспомогательных.

5. Участие в пуске и шефмонтаже в инвестпроектах, проводимых предприятием, в качестве субпоставщиков клапанов при модернизации и автоматизации, с целью унификации и стандартизации клапанов и снижения затрат на запчасти, взаимозаменяемости и т.д. При этом задаются большие гарантии при соблюдении условий технического обслуживания.

6. Поэтапный переход на сервисное обслуживание клапанного хозяйства специалистами METSO AUTOMATION или уполномоченных партнеров.

Эффективность программы достигается за счет:

1. расширения сроков гарантий до 2-3 лет,

2. при повышении метрологической надежности: снижение потерь, избыточного добавления химикатов и связанных с ними затрат за счет снижения колебательности процесса до 50%,

3. увеличения межремонтных и межповерочных сроков по клапанному хозяйству,

4. снижения затрат на техобслуживание при внедрении системы диагностики FIELD CARE, работающей совместно с позиционерами при переводе от ремонта по «отказу» на диагностическое обслуживание «по состоянию»,

5. повышения эксплуатационной, надежности, управляемости и степени автоматизации процесса, устранение ошибок и потерь продукции, связанных с человеческим фактором.

Этапы программы

1. Предварительный этап

1.1. Подготовка исходных данных и расчет теоретической экономической эффективности внедрения программы расширения сроков гарантий и повышения надежности с учетом реального состояния работоспособности клапанов на предприятиях.

1.2. Статистический аудит с использованием базы BERNIE. Расчет среднего срока службы, интенсивности отказов, вероятности безотказности работы. Оценка возможностей увеличения средней наработки на отказ. Выявление слабых мест в работоспособности клапанов.

1.3. Определение новых, более высоких показателей как общей, так и метрологической надежности. Предварительный анализ и сравнение расчетного и фактического ресурса. Разработка диагностического процесса для регулирующих клапанов и арматуры. Расчеты количества, временных периодов и объема проведения диагностики. Подготовка рекомендаций по повышению надежности и удлинению срока предоставления гарантий.

1.4. Подготовка на основе новых критериев технико-коммерческого предложения.

2. Основной этап

2.1. Полевой аудит. Определение остаточного ресурса и прогнозирование кратности наработки. Проведение при необходимости перерасчета клапанов при помощи программы NELPROF и подготовка предложений и последовательности замены клапанов.

2.2. Калибровка клапанов под условия метрологической надежности, по отклонению в стабильном состоянии и динамическому отклонению.

2.3. Проведение работ по восстановлению и допоставке клапанов на наиболее узкие места по показателям надежности и срокам безотказной работы клапанов.

3. Этап внедрения

3.1. Обучение и аттестация персонала на предприятии.

3.2. Обеспечение аттестованного персонала диагностическими средствами и инструментом для проведения сервисных работ.

3.3. Организация шефмонтажа и сервиса, ведение паспортов клапанов и арматуры по результатам аудита.

4. Корректировка программы по результатам выполнения

Учитывая длительный срок внедрения подобных решений и разные стартовые позиции предприятий, предложения могут быть разбиты на 3 варианта.

4.1. Программа минимум «повышение надежности». Первоначальный анализ статистических данных поставки клапанов из системы БЕРНИ. Предварительная оценка надежности. Аудит клапанов на условия повышенной надежности на наиболее критичных участках. Анализ надежности по результатам сравнения длительной статистики с данными аудита. Поэтапная замена выходящих из строя регулирующих клапанов на клапаны НЕЛЕС с учетом требования метрологической надежности. Выявление слабых мест процесса. Периодическая проверка и ТО клапанов. Ведение паспортов и первичной документации по неисправностям клапанов. Переход к прогнозированию отказов при использовании программы FIELD CARE.

4.2. Программа медиум. «Модули регулирования». Переход к комплексной оценке контуров регулирования по узлам с учетом работоспособности как клапанов, арматуры, так и КИП и А. Ведение паспорта, разработка критериев оптимизации, увеличение межремонтных и межповерочных сроков на основе прогнозирования надежности и безотказной работы. Полное внедрение программы диагностики FIELD CARE. Увеличение использования цифровых позиционеров на критических контурах регулирования.

4.3. Программа максимум. «Рост эксплуатационной готовности». Предварительный этап – улучшение качества инструментального воздуха. Внедрение программы повышения метрологической надежности для критических контуров регулирования. Поэтапная модернизация регулирующих сопряженных контуров с целью увеличения метрологической надежности. Замена пневматических и электропневматических позиционеров и установка цифровых позиционеров с возможностью самодиагностики. Полномасштабное использование программы FIELD CARE. Переход от ремонта по состоянию на ремонт по диагностике. Получение максимального эффекта при включении в проекты модернизаций и инвестпроекты. Перерасчет и замена клапанов других производителей на клапаны НЕЛЕС. Формирование обменного фонда и консигнационного склада. Аудит клапанов, унификация и стандартизация клапанов. Переход к дистанционной диагностике. Общее повышение эксплуатационной готовности. Внедрение сервисных программ, снижение незапланированных остановов, рост межремонтных сроков, отслеживание трендов производства, технологии и улучшение использования активов. Рамочные договора на сервисное обслуживание. Фиксирование цен на работы, предсказуемость финансовых показателей ремонтов.

4.4. Программа «цифровое предприятие». Производится на базе 3-го этапа. Интеллектуализация клапанного хозяйства. Внедрение и использование беспроводной связи. Повышение надежности и гарантий. Внедрение модульного принципа восстановления и модернизации клапанов, приводов и позиционеров. Внешнее аутсорсинговое сервисное обслуживание клапанов.

2.4. Критические контуры регулирования ТЭС

Не все контуры одинаковы. Это является важным для понимания существенности замены одних клапанов на более совершенные. Критическими контурами регулирования назовем контуры, где соотношение параметров на входе к параметрам на выходе превышает критическое значение. Небольшая погрешность регулирования на входе приводит к недопустимому превышению допусков по параметру на выходе. Рассмотрим основные контуры регулирования на ТЭС.

Целью работы ТЭС является отпуск теплового агента в виде пара или горячей воды с определенными параметрами расхода, температуры, а также обеспечение тепловодяного баланса. Дополнительными требованиями являются: само качество воды, степень ее жесткости и насыщенность неконденсирующимися газами.

В работе ТЭС возникает множество возмущающих воздействий, от изменения погодных условий при работе на обогрев, до особенностей изменения работы теплопотребляющих агрегатов. Основными показателями, характеризующими технологический режим ТЭС, являются температура Т, напор Н и расход Q теплового агента. Основным оборудованием с точки зрения регулирования являются:

– Котлы, иногда их может быть несколько, работающих параллельно.

– Сетевые насосы, обеспечивающие циркуляцию теплового агента.

– Рециркуляционные насосы в линии рециркуляции воды от выхода с котлов на их вход.

– Регулирующий клапан линии перепуска, подающий воду с выхода сетевых насосов непосредственно в напорный трубопровод с предварительным смешиванием с горячей водой после котлов.

– Регулирующий клапан линии рециркуляции.

– Насос подпитки в линии подпитки, обеспечивающий стабильное давление в обратном трубопроводе путем восполнения потерь теплового агента за счет подачи деаэрированной воды.

– Дополнительными контурами являются контуры химводоочистки и водоподготовки, деаэрирования, подачи реагентов, удаления стоков, золоудаления, мазута и др.

Основных задач регулирования – две. Это регулирование выходных параметров пара и воды для потребителей и регулирование собственного тепловодяного баланса ТЭС. Для решения первой задачи регулируются выходные параметры – Т_вых, Н_вых, Q_вых, в обратном трубопроводе Т_обр, Н_обр, Q_обр. Для решения второй задачи регулирования и обеспечения тепловодяного баланса регулируют следующие параметры:

Q_к – расход воды через включенные котлы, что обеспечивает допустимый диапазон расходов через них.

Т_вх – температуру воды на входе в котлы с целью предотвращения образования конденсата на наружных поверхностях водяных труб внутри топок, так как конденсат является агрессивным.

Н_обр – давление воды в обратном трубопроводе.

Структура контура регулирования может зависеть как от структуры самого объекта, так и от требований, предъявляемых к быстродействию в переходных режимах и точности в статических режимах.

В тоже время технологическую схему ТЭС можно представить в виде взаимосвязанных локальных контуров регулирования, где объект регулирования представляется апериодическим звеном со значительной нелинейностью и большими постоянными времени. Выделим основные контуры регулирования ТЭС:

1. Контур регулирования температуры в напорном трубопроводе ТЭС

Включает в себя котел, коэффициент передачи которого по нагреву и постоянным времени является переменными величинами, поскольку при разном числе параллельно работающих котлов температура в общем выходном коллекторе котлов Т_к изменяется непропорционально управляющему воздействию. Например, при одном котле ПТВМ 50 включение одной горелки увеличивает Т_к примерно на 4^оС с общим времени регулирования 4-5 мин, а при двух котлах – на значительно меньшее значение за счет большего суммарного расхода воды в общем коллекторе.

Результирующая температура воды в сети Т_с зависит от долевых значений расходов воды после котла Т_к и обратной воды Т_обр. Дополнительно учитывается функция смешения потоков воды, определяющая изменение температуры на разнице температур в обратном трубопроводе. В общем случае, она должна отражать также колебательность в упругой среде. Для датчика температуры главным фактором служит его собственная постоянная времени Т_дат, составляющая до 10 сек.

Нагрузка ТЭС от теплопотребляющих агрегатов может быть описана передаточной функцией охлаждения теплового агента. Она также не линейна, если за возмущающее воздействие принять изменение температуры в теплопотребляющем агрегате и расход теплового агента, зависящий как от Т_нагр и расхода. Постоянную времени охлаждения Т_охл можно ориентировочно принимать 10-40 мин, но в каждом конкретном случае она зависит от протяженности и конфигурации теплопотребления и расхода теплового агента.

2. Контур регулирования напора на выходе с ТЭС

Контур регулирования напора Н_вых можно представить в виде двух апериодических звеньев – сетевого насоса и гидравлических сопротивлений котлов и параллельной им линии перепуска. Обе передаточные функции будут нелинейны. Функции содержат квадратичную зависимость напора от частоты вращения. Постоянная времени Т определяется технологическими требованиями из условия плавного регулирования, ее значение составляет до 5 сек. Функция гидросопротивления нелинейна вследствие изменяющегося сопротивления в зависимости от угла открытия клапана линии перепуска. Динамические процессы узла смешения характеризуются очень малыми постоянными времени сжатия жидкой среды и по сравнению с другими показателями регулирования при синтезе регуляторов ими можно пренебречь, т.е. считать функцию пропорциональной.

3. Контур регулирования давления в обратном трубопроводе

Контур предназначен для восполнения утечек теплового агента (подпитки сети). Его передаточная функция по управляющему воздействию нелинейна по той же причине, что и для сетевого насоса – вследствие квадратичной взаимозависимости напора и частоты вращения электропривода. Коэффициент передачи К_обр также зависит от температуры, влияющей на давление в замкнутом трубопроводе с постоянным объемом воды. Возмущающим воздействием на Н_обр является также давление в напорном трубопроводе Н. В стационарном режиме внешние возмущающие воздействия приводят к медленным процессам изменения давления, длительность которых измеряется минутами.

4. Контур регулирования температуры воды на входе в котлы

Передаточные функции этого контура отражают гидравлические процессы в узле соединения трубопроводов. Расход в линии рециркуляции Q_рец и разность напоров Н_рец и Н_с связаны нелинейной функцией Ф_гидр, содержащей изменяющееся общее гидравлическое сопротивление параллельно включаемым котлам. В общем случае эта функция – колебательная с быстрым затуханием процесса.

Температура воды на входе в котлы Т_вх является функцией смешения двух потоков жидкости с разной температурой. Функция смешения одновременно зависит и от объемов потоков и от изменяющихся независимо одна от другой их температур Т_к и Т_обр, что свидетельствует о неопределенной нелинейности. Как и в случае измерения температуры сетевой воды и постоянной времени, наиболее влияющей на процесс регулирования является постоянная датчика температуры, составляющая примерно 10 сек.

Исполнительным механизмом служит рециркуляционный насос с регулирующим клапаном или регулируемым электроприводом. Он является апериодическим звеном с постоянной времени примерно 3-5 сек, устанавливаемой преднамеренно для исключения резких изменений суммы расходов Q.

5. Контур регулирования расхода воды через котлы

Контур включает в себя регулирующий клапан с нелинейной функцией, определяющей расход в зависимости от угла открытия и перепада давления на его входе и выходе, определяемой из паспортных характеристик, а также функцией интегрирования угла открытия по управляющему воздействию. Как правило, длительность полного открытия клапана составляет примерно 63 сек, т.е. постоянная времени составляет примерно 20 сек. Именно эта постоянная является определяющей и учитывается при построении системы регулирования. Для обеспечения устойчивости и исключения колебательности внешнего контура необходимо встраивать внутренний контур регулирования угла открытия клапана со своей передаточной функцией Ф_рег.

Из анализа следует, что все объекты локальных контуров связаны между собой и являются нелинейными, а постоянные времени передаточных функций некоторых из них определяются собственными постоянными времени исполнительных механизмов.

Зачастую трудно определить прямые показатели состояния теплопотребляющих объектов, пригодных для задачи регулирования выходных показателей регулирования ТЭС. Тем не менее, можно принять, что наиболее приемлемым способом регулирования будет упреждающее изменение выходных показателей ТЭС.

Обычно для регулирования применяют изменение числа включенных горелок, котлов, сетевых насосов. Вследствие нелинейности объекта регулирования и значительных постоянных времени апериодических звеньев такой способ на практике реализуется с помощью режимных карт и температурных графиков, составленных на основе опыта многолетней эксплуатации.

6. Контур регулирования температуры сетевой воды

При построении САУ температуры сетевой воды используется проверенный практикой способ управления – задание на температуру формируется по основному возмущающему воздействию Т_возм и линеаризованному температурному графику, заложенному в АСУТП.

7. Контур регулирования давления воды в напорном трубопроводе

Контур предназначен для стабилизации напора Н_с независимо от расхода в теплопотребляющем агрегате, температуры или других характеристик. При этом необходима стабилизация перепада давления в напорном и обратном трубопроводе, но давление в обратном трубопроводе стабилизируется самостоятельным контуром регулирования, поэтому, с целью исключения колебательности, целесообразно осуществлять регулирование по величине Н_с.

В процессе работы ТЭС формируется практически стационарный процесс с медленно изменяющимися характеристиками, поэтому требование быстродействия пока не учитывается (за исключением устройств аварийной отсечки). Инструкциями по эксплуатации рекомендуется плавное, пошаговое воздействие на регулируемые показатели с визуальным контролем результатов. Это обусловлено как динамическими свойствами запорно-регулирующей арматуры, полное время изменения состояния которой по критерию «открыто-закрыто» составляет десятки секунд, так и порядком ввода в работу насосного оборудования – пуск на закрытую задвижку и последующее ее открытие. К контурам и системе регулирования в целом дополнительно предъявляются следующие требования:

– Отработка управляющих и возмущающих воздействий без перерегулирования, отсутствие колебаний или их быстрое затухание.

– Окончание колебательного процесса с установлением новых заданных показателей за время, удобное для визуального контроля (до 5 мин).

В этих условиях передаточной функцией обычно выбирают для регуляторов всех контуров регулирования пропорционально-интегрирующее или интегрирующее звено, с предпочтением интегрирующему звену, поскольку нет необходимости в компенсации постоянных времени объекта регулирования. Регулирование без статической ошибки является важным условием функционирования теплопотребляющих агрегатов. При наладке регуляторов и выборе параметров регуляторов ориентируются на наибольшую постоянную времени объекта в контуре регулирования.

ПОРЯДОК ВЫБОРА КЛАПАНОВ ДЛЯ КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Выбор клапанов основывается на анализе критических контуров регулирования в соответствии с технологической схемой и проводится в следующей последовательности:

1. По результатам анализа технологической схемы выделяются контуры, где небольшие изменения параметров на входе приводят к непропорционально большому или малому изменению параметров на выходе. Эти контуры рассматриваются отдельно, и для них производится специальный выбор клапанов, способных работать в таких условиях.

2. Клапаны для этих контуров рассчитываются по специализированной программе расчета типа CONVAL или NELPROF (Metso Automation).

3. Далее проводится их оптимизация для конкретных контуров регулирования в соответствии с особенностями работы контура и заданием от системы АСУТП.

ТИПОВЫЕ СРЕДЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ. ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

Выбор регулирующих клапанов для многофазных потоков не является такой же хорошо проработанной и легкой задачей как расчет и выбор клапанов для однофазных потоков. Расчет регулирующих клапанов для чистых жидкостей или потока газа может быть сделан с использованием стандартных расчетных формул, основанных на динамике потока и относительных коэффициентов, применяемых при выборе клапана.

Когда регулирующий клапан рассчитывается для двухфазного потока, которым обычно является смесь жидкости и пара, не существует общепринятых методов, которые бы достоверно решали бы эту задачу. Это связано с тем, что двухфазный поток не может быть описан в одно и тоже время математически просто и без погрешностей. Также при экспериментальных исследованиях требуется провести множество испытаний с различными видами процентных композиций и фракций по весу, с использованием различных типов клапанов. Невозможно рассчитывать клапан для многофазного потока с той же точностью, как и для однофазных потоков.

Многое зависит и от испытательной базы компании – производителя клапанов, его опыта работы в отрасли. К примеру, для получения достоверных результатов компанией METSO AUTOMATION проведено множество исследований по определению поведения потоков многофазных смесей, включая пароконденсатные смеси при их прохождении через регулирующие клапаны. В качестве результата были выведены методы расчета и выбора клапанов для многофазных потоков, применимые ко всем видами клапанов с поворотным затвором, производимых Mетсо.

Расчет двухфазного потока

Метод основан на теории гомогенного потока, который допускает, что жидкость и пар движутся с одинаковой скоростью и гомогенно смешаны. Метод может быть применен в следующих 2-х случаях двухфазного потока:

– одно вещество – 2-х фазный поток, т.е. например, вода и пар,

– два вещества – например, вода и воздух.

Теория гомогенного потока основана на усреднении свойств, таких как плотность и скорость двухфазной смеси. После того, как свойства двухфазной смеси были усреднены и определены, клапан рассчитывается при помощи уравнений, близких к стандартным формулам для однофазного потока.

Плотность двухфазного потока вычисляется при использовании отдельных плотностей для двух фаз на стороне повышенного давления клапана. К тому же в расчет принимается расширение пара, когда он проходит через клапан. Плотность смеси, так называемая эффективная плотность, формулируется в уравнении. В уравнении учитываются следующие факторы, оказывающие влияние:

– доля расхода пара по весу от полного весового расхода,

– доля расхода жидкости по весу от полного весового расхода,

– плотность жидкой фазы на стороне входа в клапан,

– плотность паровой фазы на стороне входа в клапан,

– фактор расширения пара.

Производительность для дросселируемого двухфазного потока описывается также зависимостями, зависящими от следующих параметров:

– полного расхода смеси по массе

– фактора геометрии труб

– расходной характеристики клапана

– эффективной плотности

– характеристики падения давления по клапану.

Дросселируемый поток

Экспериментальное изучение дросселируемого двухфазного потока трудноопределимо, и это не позволяет дать точные данные по падению давлений. При расчете регулирующих клапанов аппроксимация падения давления смеси производится по аппроксимации доли падения давления чистой жидкости и чистого пара. Чистый паровой поток дросселируется, когда падение давления достигает определенной величины.

В случае, когда вся жидкость находится в жидком виде, дросселирование начинается, когда давление падает ниже критического значения. Когда малая доля пара добавляется в поток, то изменяется дифференциал давления, характерный для дросселирования, но он будет близок к обычному критическому давлению. Увеличение доли пара еще более изменяет критическую величину падения давления, что приводит к большему дросселированию, но не ясно, как это происходит в регулирующих клапанах.

В конце, когда вся жидкость находится в паровой фазе, дросселирование начинается с падения давления по другой закономерности. В компании Метсо были проведены теоретические вычисления и испытания потока, чтобы определить критические давления для идеальных сопел. Эти результаты показывают, что линейные зависимости между критическим падением давления в жидкой и газообразной фазе в качестве доли от процентного соотношения доли пара по весу хорошо описывают критическое падение давления в дросселируемом двухфазном потоке с достаточной точностью и могут быть сведены в уравнения.

Когда действительное падение давления превышает значение по специальным уравнениям, двухфазный поток должен рассматриваться как дросселируемый поток и падение давления используется в уравнении расчета клапана чтобы вычислить фактор расширения пара. Минимальное значение фактора составляет примерно 0,667.

Точность и погрешности расчета

Из-за особенностей двухфазного потока жидкости и газа невозможно описать различные адекватные возможные формы потока простыми математическими формулами. Методы расчета основываются на так называемой теории гомогенного потока, который допускает, что скорости жидкости и газа одинаковы, и что они полностью перемешаны. Это наиболее частый тип потока. Можно считать, что описанный метод можно применять при расчетах многих 2-х фазных потоков.

Точность расчета уменьшается, если форма потока отклоняется от описанного типа. В трубах возможны следующие формы потока:

– пузырькового типа – когда жидкая, паровая и газовая фазы разделены на пузырьки и жидкости, пузырьки имеют скорость как у жидкости,

– пробкового типа – когда количество газа возрастает, пузырьки образуют пробки,

– взболтанного типа – когда количество газа еще больше возрастает, пробки и затычки разрушаются, что приводит к очень нестабильной форме потока,

– кольцеобразного типа – когда жидкость течет как тонкая пленка вдоль стенки трубы и газ течет при высокой скорости в середине,

– течение слоистого типа – когда в горизонтальной трубе фазы перемещаются слоями отделенными один от другого, благодаря силе тяжести. Когда скорость газа увеличивается, то на поверхности жидкости образуются волны.

– туманно-капелькового типа – когда почти вся жидкость находится в состоянии капелек, формируя туман и двигаясь вместе с газом.

Изменения в состоянии жидкости и пара, испарение жидкости или конденсация пара в жидкость делают вычисления доли, веса и эффективной плотности весьма затруднительными.

Эти факторы в точности расчета особенно очевидны в однокомпонентной двухфазной смеси. Когда давление уменьшается и температура всегда постоянна, жидкость имеет тенденцию испаряться, в то время как доля веса пара и требуемая производительность клапана увеличивается. С другой стороны, т. н. феномен метастабильности имеет тенденцию сглаживать изменения в фазах, что означает, что жидкость не испаряется, хотя термодинамическое равновесие вещества должно было бы показать необходимость этого, но вот испарение случается и после точки условного равновесия.

Влияние процентного соотношения по весу в погрешности расчета клапана особенно видно на малых долях воды и образующегося пара. Например, изменение в доли массы от 1 до 2% смеси насыщенного пара и воды до 7 Бар вызывает 73% изменение удельного объема в смеси. Это означает, что требуемая производительность возрастает на 30%. С другой стороны, если доля по массе потока изменяется от 98 до 99%, то удельный объем смеси изменяется на 1%. Если доля по массе с однокомпонентной двухфазной смесью не известна точно, то расчет может быть проверен, допуская, что вся масса течет как поток пара. Это гарантирует, что пропускная характеристика клапана адекватна во всех ситуациях.

В реальности расчет по пару и по пароконденсатной смеси показывает, что учет только пара приводит к завышению размера клапана по сравнению с необходимым, тогда как неучет наличия конденсата в трубе приводит к потере в теплопроизводительности и отклонениям в расходе пара.

Шум

Нет методов предсказания шума в двухфазных потоках. На практике установление и расчет шумовых характеристик в двухфазных потоках – сложная задача. Известно из опыта, что шум при кавитации в чистой жидкости ниже, например, чем воздуха, смешанного с жидкостью. Воздушные пузырьки вызывают волны давления, создаваемые микровзрывом кавитационных пузырьков.

СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТА КЛАПАНОВ ПО ПАРУ И ПО ДВУХФАЗНОЙ СМЕСИ

Сравнение расчета по пару и двухфазной смеси важно тем, что не все производители делают это, не давая заказчикам получить дополнительную экономию от снижения потерь пара, устранения проблем с работоспособностью, снижения колебательности процесса и т.д.

Типичной задачей является расчет пропускной характеристики регулирующего клапана определенного DN по насыщенному пару при заданной расходной характеристике и параметрах клапана.

Расчет клапана по пару

При расчете такого клапана задаются значения потока, а именно расход пара, т\ч, температура на входе пара, ^оС, давление на входе и на выходе из клапана, Бар.

– Свойства жидкости – плотность, кг\м³, коэффициент удельной теплоемкости

– Геометрические характеристики трубы – диаметр на входе и диаметр на выходе, мм, гидравлические сопротивления и т.д.

– Коэффициенты для расчета клапана, фактор соотношения падения давления.

Расчет состоит в определении фактора относительного падения давления, включая фланцы трубы, относительное значение удельной теплоемкости, проверки потока на дросселирование и фактора расширения пара. Из этих данных получают пропускную характеристику клапана и относительное значение открытия клапана для обеспечения линейности регулирования. Это значение должно попадать в диапазон 50-70%.

Расчет клапана по двухфазной смеси пара и конденсата

При расчете задаются исходные данные по потоку:

– расход по воде, кг\ч, расход по пару, кг\ч,

– температура воды на входе, ^оС,

– давление на входе клапана, давление на выходе, Бар.

– свойства жидкости – плотность жидкости, плотность пара на входе, критическое давление по воде, Бар, давление пара в жидкости (давление вскипания) при температуре Т₁, относительная удельная теплоемкость.

– конфигурацию труб – диаметр трубы на входе и выходе, мм, гидравлические сопротивления.

– безразмерные коэффициенты для расчета клапанов, включая коэффициент падения давления, коэффициент возврата давления.

Расчет состоит в определении полного расхода потока по весу (массе), кг\ч, определении доли конденсата в полном расходе по весу и пара, вычислении коэффициента падения давления, включая фланцы труб, относительное значение удельной теплоемкости, коэффициент возврата давления, включая фланцы, коэффициент критического давления по жидкости, критическое падение давления дросселируемого двухфазного потока, проверки потока на наличие дросселирования, фактора расширения пара, эффективной плотности смеси,

Далее выводится пропускная характеристика клапана и относительное открытие клапана. В случае если открытие выходит за пределы 50-70%, необходимо проводить перерасчеты заново.

Тестовые расчеты клапанов по пару, в условиях идеальных условий и по пароконденсатной смеси (до 5-10% конденсата), характерных для реальных условий систем парораспределения, например, обогреваемых валов, показывает, что отклонения регулирующей способности клапанов от оптимального может составлять до 20-30%.