Курс Трубопроводная арматура. Модуль-кейс Выбор регулирующей арматуры по критерию надежности регулирования

Сегментный клапан

Использование сегментных клапанов в теплоэнергетике обусловлено необходимостью регулирования потоков химически активных вязких жидкостей, суспензий и газов, проходящих по трубопроводам. Так, сфера применения клапанов с шаровым сегментом требует максимально точной регулировки потока рабочей среды в составе различных промышленных систем для регулирования и перекрытия потоков газа, пара, жидкости и достижения необходимого уровня герметичности. Клапаны используются на ГЭС, АЭС, ТЭС, в химической промышленности, в структуре нефтегаза, а также в системах тепло- и водоснабжения [8].

Сегментный клапан состоит из корпуса, дроссельного узла в виде шарового сегмента и системы управления, обычно привод. Данный вид клапана наиболее часто используется в экстренных условиях – при повышенных температурных показателях и показателях давления – и благодаря своим конструктивным особенностям обеспечивают должную герметичность и высокую точность регулирования при эксплуатации в абразивных и агрессивных средах, в условиях кавитации. Пример сегментного клапана приведен на рис.1.18.

Рис.1.18. Сегментный клапан

Клапан с шаровым сегментом наиболее оптимален для регулирования потоков всевозможных взвесей и жидкостей, содержащих твердые частицы, а также газа, он обеспечивает высокую точность регулирования потока, а так же позволяет сократить неизбежные потери энергии и достичь увеличенного коэффициента пропускной способности в сравнении с шаровыми кранами и дисковыми затворами.

Игольчатый клапан

Затвор игольчатого клапана движется вдоль уплотнительных поверхностей седла и выполнен в форме узкого конусного цилиндра. Такая форма затвора позволяет обеспечить высокую герметичность устройства, а также обеспечить более плавное изменение сечения прохода при увеличении или уменьшении объема подачи рабочего материала. Игольчатые клапаны используют как для жидких, так и для газообразных сред. Устройства широко используются в промышленности для полного перекрытия потока рабочей среды и для регулирования ее давления и расхода.

Игольчатый клапан состоит из корпуса, крышки, затвора и штока (шпинделя). Управление клапаном может осуществляться вручную или при помощи исполнительного механизма – привода. От рукоятки или привода крутящий момент передается к штоку, который приводит в движение затвор. В результате клапан открывается или закрывается. Рабочая среда проходит через отверстие седла – неподвижного элемента конструкции, расположенного внутри корпуса. Для обеспечения надежной герметичности клапана место соприкосновения затвора и седла уплотняется, чтобы не оставалось зазоров [9].

Рис.1.19. Игольчатый клапан

Основные достоинства игольчатых клапанов – их высокая герметичность, небольшие габариты, быстрое срабатывание, возможность применения в различных средах при широком диапазоне давлений и температур. К недостаткам можно отнести большое гидравлическое сопротивление, противодавление рабочей среды и относительно большое усилие на привод для передачи крутящего момента.

Затвор

Дисковый затвор

Дисковый поворотный затвор регулирует поток при помощи специального элемента – диска, закреплённого на валу, и поворачивающегося вокруг своей оси. Также как и шаровой кран, дисковый затвор способен осуществить перекрытие за достаточно короткое время, так как диск осуществляет такой же оборот на 90°, из-за чего этот затвор называют также четвертьоборотным [5]. Пример дискового затвора приведен на рис.1.20.

Рис.1.20. Дисковый затвор

Дисковые поворотные затворы характеризуются: легкостью веса, простотой конструкцией, и компактными размерами. Но из-за материалов, используемых при производстве, могут возникать ограничение их применение при очень высоких температурах, или крайне агрессивных средах. Наиболее часто это касается уплотнений затвора, изготовляемых из полимерных материалов.

Таким образом, с целью анализа вариантов выбора регулирующей арматуры были рассмотрены различные варианты трубопроводной арматуры, и принцип их работы.

2. Критические контуры регулирования в энергетике

Определение критичности оборудования играет одну из главных ролей в реализации многочисленных производственных и технологических процессов. К критическому оборудованию может относиться критичность оборудования для ТЭС или котла в целом, для отдельных технологических объектов управления, технологического процесса и отдельных операций. Она влияет на периодичность и глубину ТО, частоту проверки и настройки оборудования, уровень внимательности диспетчеров, ремонтного персонала и др. К сожалению, проблема критичности оборудования, его классификации и разработки путей оптимизации оборудования по критерию критичности практически не изучена. Особенно эта проблема касается определения критичности технологических процессов, контуров регулирования и наиболее важного элемента системы регулирования – регулирующих клапанов.

Критический контур регулирования – это контур, в котором небольшое изменение входных параметров приводит к недопустимо большому колебанию выходных параметров, которые не могут с достаточной степенью точности быть устранены контуром регулирования, в основном из-за недостаточной точности регулирующих органов и исполнительных механизмов.

Среди множества контуров регулирования можно выделить те, которые определяют технологию. В тоже время достаточно много участков технологии, в которых установленные на них контуры регулирования не являются определяющими для технологии или качества выпускаемой продукции.

Могут быть и другие контуры. Так, например, сгущение на участках флотации отходов представляет собой с точки зрения контуров регулирования сложную динамическую взаимосвязь нескольких качественно различных контуров. Но в результате сгущения технологически могут быть утеряны достоинства работы предшествующих технологических ступеней, например, фракционирования. Это равносильно тому, как если бы пригодную фракционированную среду слить в один бак. Для получения того же качества среды после такого сгущения придется практически заново проводить технологические операции.

Наибольшую долю в погрешность регулирования контура вносят регулирующие клапаны [1], рис.2.1.

Рис. 2.1. Погрешности преобразования различных частей контуров управления

2.1. Типовые критические контуры котельных и ТЭЦ

Особенности работы контуров котельных и ТЭЦ.

Цель работы котельных и ТЭЦ – отпуск теплового агента в виде пара или горячей воды с определенным параметрами расхода, температуры и обеспечение тепловодяного баланса. Дополнительными требованиями являются само качество воды, степень ее жесткости и насыщенность неконденсирующимися газами.

В работе ТЭЦ возникает множество возмущающих воздействий, от изменения погодных условий при работе на обогрев, до особенностей изменения работы теплопотребляющих агрегатов. Основными показателями, характеризующими технологический режим ТЭЦ, 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 котельной или ТЭЦ.

Для решения первой задачи регулируются выходные параметры – Твых, Нвых, Qвых, в обратном трубопроводе Тобр, Нобр, Qобр.

Для решения второй задачи регулирования и обеспечения тепловодяного баланса регулируют следующие параметры:

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

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

Нобр – 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 ТЭЦ можно представить в виде взаимосвязанных локальных контуров регулирования, где объект регулирования представляется апериодическим звеном со значительной нелинейностью и большими постоянными времени.

Контур регулирования температуры в напорном трубопроводе ТЭЦ

Контур включает в себя котел, коэффициент передачи которого по нагреву и постоянным времени являются переменными величинами, поскольку при разном числе параллельно работающих котлов температура в общем выходном коллекторе котлов Тк изменяется не пропорционально управляющему воздействию. Например, при одном котле промышленного типа (например, ПТВМ 50) включение одной горелки увеличивает Тк примерно на 4

С 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 Тс зависит от долевых значений расходов воды после котла Тк и обратной воды Тобр. 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 Тдат, составляющая до 10 сек.

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

Контур регулирования напора на выходе с ТЭЦ

Контур регулирования напора Нвых 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.

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 Кобр также зависит от температуры, влияющей на давление в замкнутом трубопроводе с постоянным объемом воды. Возмущающим воздействием на Нобр является также давление в напорном трубопроводе Н.

В стационарном режиме внешние возмущающие воздействия приводят к медленным процессам изменения давления, длительность которых измеряется минутами.