Читать книгу Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры» - Станислав Львович Горобченко - Страница 8

Выбор регулирующей арматуры подходящего размера необходим для достижения высшей степени управления процессом. Сегодня расчет размеров регулирующей арматуры обычно выполняются с использованием компьютерных программ. Большинство производителей регулирующей арматуры предлагают программное обеспечение для определения размеров регулирующей арматуры бесплатно, однако в основном они применяются только к регулирующей арматуре производителя. Расчеты в программе подразумевают выбор из ряда имеющихся регулирующих клапанов. Обычно выбор включает типовые регулирующие клапаны с равнопроцентной характеристикой, линейные проходные клапаны, шаровые краны, эксцентриковые поворотные клапаны, высокопроизводительные дисковые затворы и сегментные шаровые краны. Эти типовые решения по выбору арматуры позволяют пользователю исследовать возможность применения различных типов и размеров регулирующей арматуры для конкретного применения, не оказывая предпочтение конкретному производителю арматуры.

Кроме того, существует множество комплексных таблиц в Excel, соответствующие методам ANSI / ISA-75.01.01 (IEC60534-2-1 Mod)-20012, а также уравнения расхода для подбора размеров регулирующей арматуры, которые доступны бесплатно на www.control-valve-application-tools.com. Эти таблицы применимы к регулирующей арматуре всех производителей и документированы так, чтобы пользователь мог проследить расчеты по уравнениям в стандарте.

Ниже представлен краткий обзор некоторых факторов, которые нужно учитывать, чтобы определить размер и выбрать правильную регулирующую арматуру для конкретного применения.

Выбор типа регулирующей арматуры

Выбор типа регулирующей арматуры, например, линейные седельные клапаны, шаровой, сегментный краны, дисковый затвор и т.д.) часто основывается на инструкциях или предпочтениях завода-изготовителя. Например, большинство регулирующей арматуры на бумагоделательных заводах обычно представляют собой шаровые или сегментные краны. Нефтеперерабатывающие заводы традиционно используют большое количество клапанов с линейным движением штока, хотя беспокойство по поводу выбросов в атмосферу заставило некоторых пользователей обратить внимание на поворотную регулирующую арматуру, потому что зачастую в таком случае легче получить долговременное уплотнение штока. Линейные клапаны имеют самый широкий спектр опций пропускной характеристики, снижения давления, температуры, шума и кавитации.

Линейные клапаны, как правило, самые дорогие. Сегментные шаровые краны, как правило, имеют более больший диапазон регулирования и почти в два раза большую пропускную способность от линейных клапанов сравнимого диаметра и, кроме того, они дешевле. Тем не менее, сегментные шаровые краны ограничены при наличии экстремальных температуры и давления и более подвержены шуму и кавитации, чем линейные клапаны. Поворотные затворы даже дешевле, чем шаровые краны, особенно больших размеров (8 дюймов и более). Они также имеют меньший диапазон регулирования, чем шаровые краны, и более подвержены кавитации. Эксцентриковые поворотные краны (общий термин, обычно применяется к клапанам с торговыми названиями, такими как Camflex, зарегистрированный товарный знак DresserMasoneilan и Finetrol, зарегистрированный товарный знак MetsoAutomation) сочетает в себе особенности поворотной регулирующей арматуры, такие как уплотнения штока с высоким сроком службы и компактная конструкция запорной регулирующей арматуры. В отличие от других типов поворотной регулирующей арматуры, которые имеют пропускную способность примерно вдвое больше, чем у линейной регулирующей арматуры, пропускная способность эксцентриковых поворотных плунжерных клапанов находится на уровне линейных клапанов.

Конечно, выбор типа регулирующей арматуры очень субъективен. При отсутствии четкого предпочтения завода, рекомендуется следующий подход для выбора типа регулирующей арматуры для применения, где регулирующая арматура будет 6 дюймов или меньше. Рассматривая давление, перепад давления, температуру, необходимую пропускную характеристику, кавитацию и шум, нужно сначала определить, будет ли работать сегментный шаровой кран. Если сегментный кран не подходит, следует выбрать линейный регулирующий клапан. Нужно иметь в виду, что клеточные клапаны не подходят для грязных сред. В тех случаях, когда применяется регулирующая арматура 8 дюймов или больше, рекомендуется сначала исследовать применимость высокоэффективного поворотного затвора из-за потенциальной значительной экономии в цене и весе.

Пропускная способность регулирующей арматуры

Как правило, системы со значительным количеством труб и фитингов (наиболее распространенный случай) обычно лучше всего подходят для равнопроцентных действительных характеристик регулирующей арматуры. Системы с очень маленькими трубами и другими элементами, потребляющими давление (где падение давления в регулирующей арматуре остается постоянным, и в результате, действительная характеристика регулирующей арматуры также является установленной характеристикой) обычно лучше подходят для линейных действительных характеристик регулирующей арматуры.

Переходные и сужающие устройства

Регулирующая арматура обычно устанавливаются в трубопроводе большего размера, чем сама регулирующая арматура. Чтобы приспособить меньшую по размеру регулирующую арматуру, необходимо прикрепить переходники (конфузоры). Так как размер регулирующей арматуры обычно неизвестен в то время, когда рассчитывается падение давления, доступное регулирующей арматуре, можно не включать переходники в расчеты потерь давления в трубопроводе. Вместо этого потери давления в переходниках рассчитываются как часть процесса определения размера регулирующей арматуры путем учета коэффициента геометрии трубопровода Fр. Все современные компьютерные программы для определения размера регулирующей арматуры включают Fр в расчеты. Поскольку Fр является функцией неизвестного Cv, требуется итеративное решение.

Данные расчетов

Расчет диаметра регулирующей арматуры будет надежным только в том случае, если данные процесса, используемые в расчете, точно соответствуют реальным процессам. Есть две области, где появляются ненадежные данные, и где нужно вводить корректировки. Для этого применяют два способа. Первый предполагает добавление коэффициента запаса к расчетному расходу. Второй включает определение размера падения давления ∆P. Однако проблема может возникнуть, если несколько человек участвуют в проектировании системы, и каждый добавляет коэффициент запаса, не понимая, что другие сделали то же самое.

Пожалуй, самая неправильно понятая область определения размера регулирующей арматуры – это определение перепада давления ∆P для использования в расчете размеров. ∆P не может быть произвольно конкретным без учета фактической системы, в которой будет установлена регулирующая арматура. Необходимо помнить, что все компоненты системы, за исключением регулирующей арматуры (например, труб, фитингов, запорной арматуры, теплообменников и т. д.) зафиксированы, и при скорости потока, требуемой системой (например, для охлаждения горячих химикатов до указанной температуры, поддержания указанного уровня в баке), потеря давления в каждом из этих элементов также зафиксирована. Только регулирующая арматура является переменным, и подключена к автоматической системе управления. Система управления отрегулирует регулирующую арматуру в нужное положение, чтобы установить требуемый поток (и, таким образом, достичь указанной температуры, уровня в баке и т. д.). В этом случае, часть всей системы перепада давления (разница между давлением в начале системы и в конце системы), которая не используется фиксированными элементами, должна появиться в регулирующей арматуре.

Правильная процедура определения падения давления в регулирующей арматуре в проектируемой системе, будет следующей:

1. Начните с точки, расположенной перед регулирующей арматурой, где давление известно, затем при данной скорости потока вычтите потери давления системы, пока вы не достигнете впускного отверстия клапана, так Вы определите P₁.

2. Затем за клапаном, пока не найдете другую точку, где известно давление, и при заданной скорости потока обратно (перед впускным отверстием клапана) добавляя (так как вы двигаетесь к впускному отверстию) потери давления системы, пока не достигнете выпускного отверстия клапана, так Вы определите P₂.

3. Теперь вы можете вычесть P₂ из P₁, чтобы получить ΔP.

4. Если вы планируете выполнить расчеты размеров больше одной скорости потока (например, при максимальном и минимальном расчетном потоке) необходимо повторить расчет P₁ и P₂ при каждой скорости потока, так как потери давления в системе (и напор насоса) зависят от потока. На рисунке 1.21. показан этот процесс.

Рис. 1.21. Правильный метод определения падения давления в регулирующей арматуре в целях определения её размера.

В некоторых ситуациях пользователю нужна помощь при определении перепада давления в регулирующей арматуре. Типичная ситуация такого рода представляет собой насосную систему, в которой пользователь знает необходимое давление в конце системы и в праве выбрать насос. Процедура, которая часто дает оптимальное падение давления в регулирующей арматуре, включает в себя расчет потерь динамического давления во всех неподвижных элементах системы при расчетном уровне расхода. Для хорошего баланса по экономичности и качества регулирования следует добавить падение давления, равное половине динамических потерь для регулирующей арматуры. После добавления этой суммы к требуемому давлению в конце системы и любым изменениям в напоре, выберите насос, который соответствует требуемому давлению как можно ближе. Так как, вероятно, нужно будет выбрать насос, который не совсем точно соответствует расчетному требуемому давлению, следует пересчитать фактический размер регулирующей арматуры по ∆P, как описано в предыдущем абзаце. Проектирование при расчетном перепаде давления для регулирующей арматуры значительно меньшей, чем половина других динамических потерь, вероятно, приведет к системе, которая будет плохо регулировать. Проектирование при перепаде давления регулирующей арматуры, которое значительно выше, приведет к излишне высокой расходуемой энергии насосом, и может вызвать проблемы с шумом и кавитацией.

Кавитация в регулирующей арматуре

Дросселируемый поток жидкости в регулирующей арматуре приводит либо к парообразованию, либо, что чаще, к кавитации. Необходимо ее избегать, потому что кавитация в регулирующей арматуре почти наверняка приведет к высокому уровню шума, быстрому и серьезному повреждению клапана. Классический подход, объясняющий явление дросселируемого потока, заключается в предположении, что поток увеличивается линейно с квадратным корнем падения давления ΔP, пока ΔP не достигнет дросселируемого перепада давления ΔPchoked, а затем сразу становится полностью дросселируемым без дальнейшего увеличения расхода (см. пунктирные линии на рисунке 1.22.). Также представлен расход в зависимости от квадратного корня падения давления в соответствии со стандартами размеров регулирующей арматуры ISA / IEC.

Рис. 1.21. Расход жидкости в зависимости от квадратного корня падения давления в регулирующей арматуре

В действительности существует определенное количество округлений на графике в точке ΔPchoked, как показано на рисунке 1.22. Это округление кривой потока прогнозирует кавитационные повреждения более тонко, чем просто сравнение действительного падения давления с рассчитанным перепадом дросселируемого давления, которое предполагает классическое рассмотрение о внезапном переходе между недросселируемым потоком и дросселируемым потоком. Оказывается, что и шум, и разрушение могут возникнуть еще до того, как падение давления достигнет ΔPchoked . На протяжении многих лет, то, что здесь называется ΔPchoked имело множество названий, потому что стандарты регулирующей арматуры ISA / IEC никак его не называло. С выпуском Стандарта-2012 впервые возникло название ΔPchoked».

Некоторые производители регулирующей арматуры прогнозируют возникновение кавитации путем определения начального повреждения, связанного с падением давления, которое иногда называют ΔP_ID, как показано в формуле на рисунке 1.21. Эти производители оценивают опыт фактического применения с кавитационными повреждениями и устанавливают то, что они считают значимым значением Kc для своей регулирующей арматуры. Один производитель, например, использует Kс для седельных клапанов, равные 0,7. Есть другие производители, которые, исходя из рекомендованной практики, ISA – RP75.23–1995, используют σ для обозначения различных уровней кавитации. Эти производители регулирующей арматуры публикуют значения, либо σmr (рекомендуемое производителем значение сигма) или σповреждения (σ_damage).

Сигма определяется как «(P₁ – Pv) / ΔP» σ_mr и Kс являются обратными величинами и, таким образом, передают ту же информацию. Высокие значения Kс перемещают точку начального повреждения ближе к ∆Pchoked, где более низкие значения σ_mr делают то же самое.

Хороший метод для прогнозирования кавитационных повреждений основан на том факте, что тот же элемент, который наносит ущерб, также вызывает шум, а именно схлопывание пузырьков пара. Идея корреляции шума с кавитационным повреждением получила свое начало в 1985. Ганс Бауманн опубликовал статью в журнале Chemical Engineering (Химической инженерии – www.chemengonline.com), где на основании некоторых тестов предельных повреждений, он установил максимальный уровень звукового давления, SPL, 85 дБА в качестве верхнего предела, чтобы избежать недопустимые уровни кавитационных повреждений в дисковых затворах.

Однако это зависит от применения. Так, по исследованию Джона Монсена, приведенного в журнале Flow Control, в некоторых случаях кавитационные повреждения были минимальными, а в других – чрезмерными. Заключением исследования было то, что можно предсказать, что ущерб будет в пределах допустимого, пока прогнозируемый уровень шума ниже предела, установленного в исследовании. В случае 4 и 6 дюймовых клапанов, пределом будет 85 дБА. Пределы SPL, установленные в исследовании (на основе расчетов шума с использованием VDMA 24422 1979), для избегания кавитационных повреждений таковы: для клапана не более 3 дюймов: 80 дБА; от 4 до 6 дюймов: 85 дБА; от 8 до 14 дюймов: 90 дБА; и 16 дюймов и больше: 95 дБА. Обратите внимание, что независимо от расчета шума, предполагая, что давление на выходе регулирующей арматуры больше, чем давление паров жидкости, фактическое падение давления должно быть меньше, чем перепад дросселируемого давления, потому что опыт показал, что работа над перепадом дросселируемого давления почти наверняка может привести к кавитации.

Следует отметить, что, хотя дросселируемый поток с газом не вызывает повреждения регулирующей арматуры, дросселируемый поток газа может привести к высокому уровню шума, но они будут обнаружены любой программой определения размеров регулирующей арматуры. Многие специалисты предупреждают об уровне аэродинамического шума выше 120 дБА (рассчитано с трубой по графику 40) из-за получающегося в результате высокого уровня вибрации внутри клапана.