Читать книгу Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры» - Станислав Львович Горобченко - Страница 12

Рабочие точки являются частью статической характеристики системы

Статическая характеристика системы означает, что основные технологические данные управляемой системы (такие как давление, расход, температура и свойства жидкости) не изменяются при работе регулирующего клапана. Она характеризуется перепадом давления Δp, пропорциональным по отношению к расходу q².

В динамических системах задействованы и другие управляющие устройства, например насос с областями оптимальных динамических характеристик. Также динамические системы часто встречаются в системах антипомпажной защиты.

Характеристики могут быть рассчитаны только в том случае, если заданы, хотя бы две рабочие точки статической системы.

Системы со статической характеристикой являются наиболее распространенными в технологическом процессе. Термин "статический" означает, что во время воздействия на поток регулирующего клапана основные технологические данные заданных (от 1 до n) рабочих точек, такие как давление, расход и температура, свойства среды, а также резисторы и другие конструктивные элементы, создающие гидравлическое сопротивление регулируемой системы (т. е. потери давления вверх и вниз по потоку от регулирующего клапана в заданных рабочих точках), не изменяются, или только незначительно изменяются из-за загрязнения или влияния других управляющих устройств. Так обстоит дело, например, с нерегулируемой характеристикой насоса.

Соединение кривых давления между рабочими точками осуществляется по гидравлическому соотношению Δp пропорционально q², которое можно рассматривать как полезное приближение даже при не турбулентном течении или при высоких перепадах давлений сжимаемых сред. Сами рабочие точки также учитывают истинное состояние потока ламинарной жидкости или сжимаемых газов и паров.

Большое значение для характеристики статической системы имеет логическая корреляция кривых входного и выходного давлений от q_min до q_norm и q_max.

Примеры частых ошибок планирования при указании рабочих точек статических "нелогичных " характеристик показаны ниже:

Пример 1: давление на входе 8 бар при q_max требует расчета новой характеристики системы с дополнительным насосом. Данные по примеру приведены в табл. 2.1.

Табл.2.1. Данные по примеру 1.

На рис. 2.9. представлены результаты расчета.

Рис. 2.9. Результаты расчета в программе CONVAL

Пример 2: Давление за клапаном (ниже по потоку), равное 4,5 бар, было принято за постоянное для показанного увеличения q_max. Это не кажется "логичным", так как оно должно быть увеличено по правилу: "Δp пропорционально q²". Регулирующий клапан спроектирован слишком маленьким из-за неправильного предположения (отсутствует расчет перепада давления в технологическом процессе). Плановые показатели не достигнуты.

Табл. 2.2. Данные по примеру 2.

Результаты расчета представлены на рис. 2.10.

Рис.2.10. Результаты расчета в программе CONVAL

Пример 3: пример авторитета клапана показывает статическую "логическую" характеристику регулирования питательной воды, включающую важную рабочую точку qmin для условий пуска.

Рис. 2.11. Результаты расчета в программе CONVAL

Выбор оптимальной конструкции требует большого опыта, особенно при частых критических пусках с пусковым клапаном в контуре с несколькими регулирующими клапанами с разной пропускной способностью.

При использовании управляемых проточных машин с использованием антипомпажного регулирования карта динамических характеристик или модификация интегрированной системы управления приводит к появлению множества" динамических " характеристических кривых, которые могут быть объединены в 1-n статических характеристик системы для заданной скорости. При этом оптимальный выбор клапана и соблюдение требований безопасности требуют инженерного опыта. Здесь имеет смысл выбрать данные для расчета min. значение Cvs с наименьшим количеством и максимальным перепадом давления и максимальное значение Cv (точка 1 на рис.2.10) с данными наибольшего количества и с минимальным перепадом давления (точка 3 на рис.2.10). Для расчета максимального уровня звукового давления требуется рабочая точка, соответствующая максимальной мощности P [кВт], т. е. максимум Δp x q (точка 2 на рис.2.10).

Рис. 2.12. Расчет звукового давления по программе CONVAL

Две красные линии – это заданные точки для антипомпажного регулирования.

Три синие линии, показывающие три важные рабочие точки для расчета клапанов,

которые расположены слева направо:

1: мин. Cv = 63,6 при макс. скорости регулятора

2: макс. Cv = 231,0 Ат мин. скорости регулятора

3: макс. SPL = 118 дБ (А) при макс. скорости регулятора

В случае высоких динамических характеристических кривых системы, расчет характеристики регулирующего клапана невозможен. Это часто бывает при управлении большими горелочными системами (управление горением в печах). Если в результате динамического процесса происходит слишком много изменений в параметрах вещества, то для данных каждой проточной линии необходимо рассчитать индивидуальные значения характеристик клапанов и выбрать один (или несколько) клапанов в режиме раздельного диапазона регулирования, чтобы оптимально охватить рабочие диапазоны. Необходимые пары давления и расхода должны быть выбраны аналогично примеру 2.

Авторитет клапана (Δp/Δp₀) – v_a

Авторитет клапана (valve authority) клапана va, рассчитываемый как v_a = Δp/Δp₀, является мерой доступного расхода давления на клапане или по-другому – уровнем срабатывания (расхода) напора, подаваемого на клапан. Далее мы будем использовать сложившийся термин "Авторитет клапана".

Определение

Авторитет клапана – это доступный перепад давления во всем рабочем диапазоне. Это отношение перепада давления клапана в данной рабочей точке, деленное на перепад давления клапана при минимальном контролируемом расходе. Самое высокое значение находится в полностью открытом положении клапана Δp₁₀₀/Δp₀. Это данность динамики гидравлической системы. Неадекватное управление клапаном отрицательно сказывается на способности к регулированию. Авторитет клапана – один из самых важных параметров способности к регулированию, который нужно соблюдать.

Правила проектирования и расчета

Выбор регулирующего клапана должен основываться на расчетном расходе с соответствующими технологическими данными.

Если не указано иное, то должно применяться следующее:

* Клапан должен быть рассчитан на 110% расчетного расхода Q_op1, чтобы обеспечить возможность регулирования при Q_op1.

• Расход через полностью открытый регулирующий клапан Q₁₀₀ должен быть равен или превышать максимальный контролируемый расход.

• Чтобы избежать чрезмерных колебаний коэффициента усиления контура, показатель авторитета регулирующего клапана при расчетных условиях v _a, _op1 должен быть больше 0,27.

Номинальное значение пропускной способности Cv клапана не должно быть слишком большим, чтобы избежать работы клапана в режиме "открыто-закрыто".

Для того чтобы регулирующие элементы действительно могли управлять в рабочей точке, проектировщики установок должны учитывать требования к перепаду давления клапанов. Регулирующий клапан может вмешиваться в процесс только в том случае, если он обладает достаточным значением авторитета:

• v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ = 1

Высший авторитет. Полный перепад давления срабатывается на клапане. Отсутствие падения в характеристике насоса, отсутствие потерь давления в трубе. Это, однако, возможно только теоретически.

• 1 > v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0.3

Хороший авторитет, также с линейными модифицированными характеристиками клапанов. Такая ситуация тоже встречается сравнительно редко.

• 0,3 > v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0,1

Адекватный авторитет клапана путем настроек характеристики клапана в направлении равнопроцентной характеристики. Это наиболее распространенный вариант, встречающийся в реальных системах.

• 0,1 > v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0,0

Ограниченный авторитет клапана с потерей качества регулирования. Распространенными причинами являются затраты и временные ограничения при проектировании установки.

Рациональная конструкция установки, которая адекватно учитывает требования к перепаду давления регулирующих элементов, необходима для достижения максимального качества регулирования в рабочей точке путем выбора оптимального значения Cv100.

Графическая интерпретация

Низкая способность к регулированию клапана

Красная область под кривой параметра авторитета клапана предупреждает о проблемах регулирования при максимальном расходе в случае:

• низкий запас расхода a: Q_op1 > 0,9 Q ₁₀₀

• низкий авторитет клапана v _a: v _{a, op1} < 0.23

В этом случае запас расхода и / или авторитет клапана слишком малы. Запас расхода может быть улучшен с помощью клапана с более высоким коэффициентом расхода. Улучшение работы клапанов требует изменения соотношения давлений Δp в общей гидравлической системе установки.

Рис.2.13. Определение регулирующей способности в программе CONVAL

Вывод значений

Вывод значений может быть осуществлен в виде таблицы. Таблица показывает числовые значения на графике в зависимости от различной степени открытия клапанов: h = 5, 20, 40 … 100%. График показан в программе Conval может представлять любое открытие с шагом 1%.

В случае жидкостей в таблице указаны диапазоны зарождающейся кавитации, дросселируемого потока и вскипания, а также недопустимые скорости на выходе из клапана, возникающие в сочетании с кавитацией.