Читать книгу Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике» - Станислав Львович Горобченко - Страница 7

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%.