Читать книгу Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры» - Станислав Львович Горобченко - Страница 9

Для того чтобы получить хорошее и стабильное качество регулирования во всём диапазоне требуемого расхода, необходимо использовать регулирующую арматуру, которая имеет линейную расходную характеристику, или таковую как можно ближе к линейной в большинстве систем. Это известно. Часто сложно сравнить качество регулирования двух клапанов с менее идеальными расходными характеристиками, просто изучая графики их расходных характеристик, но можно узнать больше о том, насколько хорошо они будут управлять конкретной системой, если изучить их установленное усиление (прим. в профессиональной литературе в РФ – коэффициент усиления).

Установленное усиление

График слева на рисунках 1.23 и 1.24 представляет собой предположительную расходную характеристику регулирующей арматуры, а график справа – соответствующее установленное усиление. Усиление устройства определяется как отношение изменения производительности (расхода) на соответствующее изменение пропускной способности. В случае регулирующей арматуры, производительность – это расход в системе (q), а потребляемая мощность – ход клапана (h) таким образом, его установленное усиление определяется как:

Усиление = Δq / Δh.

Графическая интерпретация установленного усиления – это наклон установленной характеристики расхода, а математическая интерпретация установленного усиления есть первая производная от характеристики установленного расхода.

Рис. 1.23. Установленная пропускная характеристика и установленное

усиление трех регулирующих клапанов

Рис. 1.24. Установленная пропускная характеристика и установленное усиление равнопроцентного клапана, установленного в системе со значительным количеством труб и / или других устройств, работающих под давлением.

Зеленая линия на графике слева на рисунке 1.23. представляет собой характеристику идеального линейного установленного расхода, где идеальная линейная установленная характеристика – это прямая линия, и изменения относительного хода клапана (Δh) влияют на равные изменения относительного расхода (Δq). На рисунке изменение положения клапана на 1% вызывает изменение расхода на 1 %. Поскольку наклон зеленой линии постоянен, то установленное усиление этого клапана также будет постоянным, и так как изменение положения на 1% вызывает изменение относительного расхода на 1 %, его установленное усиление будет равно 1, (усиление = 1% / 1% = 1,0). Так же, как зеленая линия на графике установленной характеристики представляет собой идеальную линейную установленную пропускную характеристику, зеленая линия на графике установленного усиления с постоянным значением 1,0 представляет идеальный установленный коэффициент усиления.

Невозможно получить точную идеальную установленную характеристику и установленное усиление, потому что:

1) реальные клапаны не имеют точный линейный или равный процент действительной пропускной характеристики;

2) взаимодействие между равным процентом действительной характеристики и характеристики системы не сокращают друг друга.

Тем не менее, каждый расчетчик стремится приблизиться к указанным показателям насколько это возможно. Вот почему идеальная линейная установленная характеристика и постоянное установленное усиление, равное 1,0, являются эталоном.

На рисунке 1.23 есть два других клапана с прямой линией пропускной характеристики. У одного очень крутой наклон, а у другой небольшой. Клапан с синим графиком, у которого установленная расходная характеристика имеет крутой наклон, очень чувствителен. Его график установленного усиления имеет постоянное, но большое значение.

Клапан с красным графиком, у которого установленная расходная характеристика имеет небольшой наклон, не очень чувствителен. (На рисунке показана только часть клапана, которая нас интересует). Его усиление изображено на графике в виде константы, но имеет небольшое значение.

Ни один из этих клапанов не будет хорошей регулирующей арматурой. Клапан с низким усилением не будет хорошей регулирующей арматурой, потому что, когда шток клапана движется, расход почти не меняется. Регулирующая арматура, которая, когда она движется, не изменяет расход, не такая уж и регулирующая. Клапан с крутым наклоном имеет очень высокий коэффициент усиления, и, следовательно, небольшие изменения в положении клапана вызывают очень большие изменения в расходе. Это менее очевидно, почему этот клапан не будет хорошей регулирующей арматурой. Когда две части (такие как шар и седло или ось клапана и сальник) соприкасаются друг с другом, они проявляют два вида трения. Когда части не двигаются, они, как правило, держатся вместе и трение высокое. Когда они движутся, трение становится намного ниже. Взаимодействие между статическим и динамическим трением затрудняет позиционирование клапана именно там, где он должен быть. Из определения усиления, изменение расхода равно произведению изменения положения на установленное усиление (Δq =Δh* Усиление). Если клапан с высоким усилением (установленное усиление которого равно 4) может позиционироваться только в 1%-ном приращении, наиболее точно этот расход можно было бы контролировать в 4%-ном приращении, которое может быть недостаточно точным.

Поняв значения установленного усиления, и то, как можно применить это понятие к равнопроцентному клапану в системе с большим количеством труб (и /или другие элементы, потребляющие давление), где установленная характеристика почти линейная, но слегка S-образная, как показано на левом графике рисунка 2? Пунктирные линии представляют предположительную идеальную линейную установленную характеристику и результирующий идеальный установленный коэффициент усиления с постоянным значением равному 1,0. Здесь форма графика установленной характеристики постоянно меняется, также как и ее наклон. Рассмотрим мгновенный наклон и, следовательно, установленное усиление в нескольких точках.

В точке 1 проведена касательная к установленной расходной характеристике, для представления мгновенного наклона установленной расходной характеристики (и, следовательно, установленное усиление) в точке 1. Эта касательная не такая крутая, как идеальная линейная установленная характеристика и, следовательно, усиление меньше идеального, равного 1,0. Точка была помещена на график установленного усиления (точка 1), который меньше идеального усиления равного 1,0.

В точке 2, если изобразить касательную к графику установленной характеристики, то она была бы параллельна идеальному линейному графику. Это означает, что в точке 2 мгновенное усиление составляет 1,0, а соответствующая точка 2 находится на графике установленного усиления при усилении 1,0. Если продолжить изображать касательные линии в точках 3, 4 и 5, то соответствующие точки 3, 4 и 5 на графике установленного усиления будут достигнуты.

Как правило, установленная характеристика и график установленного усиления равнопроцентного клапана в системах с большим количеством труб (и / или других элементов, потребляющая давление), что является наиболее распространенным случаем, будет иметь формы, аналогичные тем, что на рисунке 2, но не обязательно симметричные, как показано на рисунке.

Установленное усиление. Рекомендации

Ниже приведены рекомендации и правила, которые ПО подбора и выбора регулирующей арматуры Metso – Nelprof использует для определения подходящего размера и выбора клапана) для повышения усиления и ее вариации.

В пределах указанного диапазона урегулирования:

1. Усиление>0,5

2. Усиление<3.0

3. Усиление (max) / Усиление (min) <2.0

4. По возможности постоянное

5. По возможности близкое к 1,0

В пределах указанного диапазона регулирования (по определению, система не будет регулировать за пределами этого диапазона, поэтому не важно, что там происходит), то есть между минимальной и максимальной требуемой пропускной способностью, усиление не должно быть меньше 0,5 или больше чем 3,0. Важно помнить, что определение усиления – это изменение расхода, равное изменению положения клапана, умноженное на коэффициент усиления (Δq =Δh * Усиление). Если усиление слишком низкое, когда клапан движется, расход вряд ли изменится. Это означает, что клапан будет неэффективным в управлении расходом. Если усиление слишком велико, небольшие ошибки в положении клапана приведут к большим ошибкам в расходе, тем самым затрудняя или делая невозможным точное регулирование.

Как правило, если усиление изменяется не более, чем в соотношении 2 к 1, можно было бы подобрать один набор параметров настроек ПИД регулятора, и в результате получим хороший контроль и стабильность на протяжении всего диапазона необходимого расхода. Как только изменение усиления в пределах указанного диапазона расхода станет больше, будет сложнее настроить систему для стабильного и хорошего регулирования.

При выборе лучшего клапана из нескольких, которые отвечают первым трём критериям, следует рассмотреть критерии 4 и 5. Коэффициент усиления должен быть постоянным, насколько это возможно. Чем более постоянно усиление, тем более интенсивные настройки ПИД-регулятора могут быть использованы без опасности нестабильности. Усиление должно быть так же близко к 1, насколько это возможно. Обычно, при сравнении установленного усиления различных клапанов для того же применения, поскольку усиление становится более постоянным, он также приближается к 1.

Выбор лучшего клапана на основании установленного усиления

Существует программа определения размера регулирующего клапана, которая основана на базе данных действительных характеристик реальных клапанов, наряду с некоторой предоставленной пользователю информацией о том, как изменяется перепад давления в системе с расходом. Эта программа может рассчитать и построить график установленной характеристики расхода конкретного типа и размера клапана в конкретной системе. Далее программа рассчитывает первую производную от установленной пропускной характеристики и строит ее график установленного усиления. Для того чтобы программа определила модель процесса, как минимум две точки расхода (максимум и минимум требуемого расхода), требуются вместе с указанными значениями указать давление перед регулирующим клапаном P₁ и перепад давления на регулирующем клапане ΔP.

Используя это программное обеспечение, можно показать, как анализ установленного усиления может помочь выбрать лучшую регулирующую арматуру для конкретной системы. Демонстрация основывается на системе, показанной на рисунке 1.25. График на рисунке 1.25 показывает, как P₁, P₂ и ΔP изменяются в зависимости от расхода как по образцу программного обеспечения. Целью является выбрать клапан, чьё установленное усиление выполнит лучшую работу, отвечая рекомендациям выше. Для этого примера такие вещи, как предельный расход, шум и скорость не влияют на выбор, позволяя сосредоточиться на установленном усилении.

Рис. 1.25. Пример выбора лучшего клапана для управления конкретной системой

На рисунке 1.26 показана установленная пропускная характеристика двух клапанов, рассматриваемых для применения: 6-дюймовый сегментный шаровой кран и 3-дюймовый сегментный шаровой кран. Акцент был сделан на части графиков установленного расхода, которые находятся в указанном диапазоне расхода от 80 до 550 галл./ в мин. Так как сегментный шаровой клапан имеет собственную равнопроцентную пропускную способность, и, так как в системе, где падение давления на клапане уменьшается с увеличением расхода, не удивительно что установленная пропускная характеристика почти линейна (особенно внутри указанного диапазона расхода). Этот сгенерированный компьютером график показывает, насколько линейны установленные характеристики и насколько большой запас прочности на каждом конце требуемого диапазона расхода.

Тем не менее, так как вертикальная шкала упорядочена так, чтобы показать фактический расход, делённый на полностью открытый расход для каждого клапана, при сравнении нескольких клапанов для одного и того же применения, можно не заметить различий в величине наклона на графике и, следовательно, чувствительность к изменениям в положении клапана.

Рис. 1.26 Установленные пропускные характеристики 6 и 3- дюймовых сегментных шаровых кранов в системе, указанной на рисунке 1.25.

Если данные на рисунке 1.26 были нанесены на GPM шкале (галлоны в мин.), а не на расходе, делённом на полностью открытый расход, они будут выглядеть как на рисунке 1.27, где относительная величина наклона разных клапанов хорошо видна. Программа использует график, как на рисунке 5, где усиление рассчитано исходя из максимально необходимого расхода, qmax, то есть усиление = Δ (q / qmax) / Δh.

Обратите внимание, что этот график по шкале GPM не виден пользователю.

Рис. 1.27. Установленная пропускная характеристика клапанов из рис. 1.26

отображает истинные отношения между ее полностью открытой пропускной способностью и чувствительность к изменениям хода клапана

На рисунке 1.28 показано установленное усиление тех же двух клапанов.

Рис. 1.28. Установленное усиление 6 и 3 дюймовых сегментных шаровых кранов в системе из рис. 1.25.

Акцент также был сделан на части графика, которые находятся в указанном диапазоне расхода от 80 до 550 галлонов в мин. Проанализировав два графика, сразу ясно, что 3-дюймовый клапан – лучший вариант, так как он отвечает всем вышеперечисленным рекомендациям по установленному усилению, а 6-дюймовый клапан – нет. 6-дюймовый клапан имеет максимальное усиление около 3,5. Это означает, что в этот момент положение клапана с отклонением на 1% может вызвать ошибку расхода в 3,5%. Напротив, аналогичное положение 3-дюймового сегментного клапана с отклонением на 1% приведет к ошибке расхода в 2%. Изменение в усилении в пределах указанного диапазона расхода составляет около 2 к 1 для обоих клапанов. Усиление 3-дюймового клапана явно ближе к 1, чем 6-дюймового клапана. Если бы был проанализирован 4-дюймовый клапан, было бы установлено, что он лучше, чем 6-дюймовый клапан, но не так хорош, как 3-дюймовый клапан. Обратите внимание, что на графике усиления 1,0 на оси q / qmax будет всегда максимально необходимым расходом.

Примечание: программа не может отображать результаты для двух клапанов одновременно. Приведенные выше графики были получены путем объединения результатов двух графиков в один. При использовании программы подбора размеров, можно быстро пошагово просматривать графики для каждого из нескольких клапанов для удобства сравнения.