Читать книгу Курс «Современный ТРИЗ». Модуль «Алгоритм решения инжиниринговых задач АРИнЗ» - Станислав Львович Горобченко - Страница 9

Множество разработок комплексных и сложных технико-коммерческих предложений начинается с получения обычного запроса на предложение. Иногда даже не прилагается опросных листов. Как правило, специалисты равняются на известные им решения и вообще-то проверяют этим, а знаешь ли ты таковые решения. Конечно, есть и другой вариант «послушать, как у них там за бугром делается».

Часто советником является проектный институт, однако, он не является знатоком многих участков использования арматуры, и мы можем сказать, что проектные институты в свою очередь равняются на решения, разработанные еще в советские времена уже не существующими НИИ. За последнее время опыт применения арматуры уже во многом переместился в инжиниринговые и арматурные компании. С учетом растущей конкуренции инженерных решений, предлагаемых разными фирмами, и накопления опыта их внедрения, старые разработки институтов не могут быть и вовсе применены.

Тем не менее, на этом первом этапе уже ставится задача «как есть», и с этого момента начинается работа по проведению инженерно-экономического анализа с целью разработки наиболее конкурентного предложения (подробнее см. Горобченко С. Л. Практический маркетинг. Применение комплексного инженерно-экономического анализа для маркетинговых целей ТПА – экспресс, 1\2013). Ниже мы приводим пример разработки сложного коммерческого предложения, проведенного специалистами компании Метсо для одного из предприятий содовой промышленности.

После опроса специалистов немного кристаллизовались первые задачи.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Проект, включает в себя следующие задачи:

1. реконструкция цеха абсорбции и дистилляции по регулирующей арматуре

2. приведение в соответствие с требованиями Ростехнадзора по безопасности

3. замена запорной арматуры.

4. установка интеллектуальных позиционеров

Двигателем прогресса стали требования Ростехнадзора – не часто встретишь…

В рамках действующей реконструкции ставятся следующие задачи:

1. выполнение предписаний Ростехнадзора по повышению уровня безопасности.

2. установка современной системы АСУТП.

3. установка приборов КИП и А в рамках действующих проектов реконструкции.

4. снижение выбросов в т.ч. и по арматуре.

Важно, что в комплексе с КИП и А и вместе с системой АСУТП. Из этого следует, что требования к качеству регулирования и исполнительным механизмам будут на уровне.

Требования к запрашиваемой арматуре:

1. подготовка исполнения арматуры в соответствии с опросными листами (для бюджетного предложения).

2. применение современной арматуры

3. работоспособность в современных системах автоматизации управления и контроля техпроцессов.

4. смарт клапаны с интеллектуальными контроллерами, работающими на сигнале 4–20mA на основе HART-протокола.

5. V класс герметичности для 80% отсечных клапанов.

6. фланцевое исполнение.

Ключевое для нас слово смарт клапаны с интеллектуальными контроллерами прозвучало. Хотя и жаль, что «на основе HART протокола»…

Дополнительные положения, принятые во внимание.

1. Высокая экспортоориентированность (80% продукции идет на экспорт).

2. Сложность, непрерывность и взаимозависимость производств между собой.

3. Необходимость снижения потерь сырья и химикатов за счет повышения точности регулирования.

4. Необходимость уменьшения объема обслуживания арматуры и КИП.

5. Перспективность освоения современной смарт арматуры для дальнейших новых проектов.

Экспортоориентированность – первый признак того, что предприятие – серьезное. За рубежом не любят брака. Следовательно, и требования к качеству регулирования будут, по всей видимости, немаленькие…

На первом этапе нами была проведена большая информационно-аналитическая работа по поиску основных тенденций и типовых решений и цифр, отражающих современное состояние производств содовой промышленности. Для этих целей были привлечены консультанты КЦ Промконсалт ВШТЭ СПбГУПТД Санкт-Петербург. Выдержка из отчета приведена ниже.

Особенности содового производства

Производство кальцинированной соды по аммиачному способу включает в себя восемь основных переделов (отделений):

1. Получение карбонатного сырья на ГОКах.

2. Переработка карбонатного сырья: обжиг, охлаждение и очистка диоксида углерода, гашение извести с получением известковой суспензии.

3. Очистка рассола: взаимодействие сырого рассола с реагентами в реакторах и отстой рассола.

4. Абсорбция: отмывка в промывателях газов, выделяющихся на других стадиях от аммиака, двухстадийное насыщение раствора хлорида натрия (рассола) аммиаком и частично диоксидом углерода, поступающим со стадии дистилляции, охлаждение аммонизированного рассола.

5. Карбонизация: отмывка от аммиака газа, покидающего стадию карбонизации (сопровождается улавливанием небольших количеств диоксида углерода), предварительная карбонизация; карбонизация с выделением гидрокарбоната натрия в осадительных колоннах, компримирование перед подачей в карбонизационные колонны, диоксида углерода, поступающего со стадий переработки карбонатного сырья и кальцинации.

6. Фильтрация отделение гидрокарбоната натрия на фильтрах и отсос воздуха вакуум насосами.

7. Кальцинация: обезвоживание и разложение гидрокарбоната натрия в содовых печах, охлаждение и очистка диоксида углерода после содовых печей.

8. Регенерация аммиака (дистилляция) предварительный подогрев и диссоциация содержащихся в фильтровой жидкости карбонатов и гидрокарбонатов аммония в конденсаторе и теплообменнике дистилляции, смешение и взаимодействие нагретой жидкости с известковой суспензией в смесителе и отгонка аммиака.

Рис. 1. Технологическая схема производства кальцинированной соды

Что ж, специализация по химии в полном объеме. Нас ждет масса регулирующих и отсечных клапанов, способных работать в полупериодическом режиме и кристаллизующихся средах…

Технико-экономические показатели процесса получения соды.

Экономические показатели производства кальцинированной соды характеризуются следующими данными (данные по литературным источникам):

1. На 1 т продукта расходуется:

Начнем считать. В первую очередь по массовым технологическим потокам. Выделим, что в своем большинстве среда – рассольная и с наличием извести, а также наверняка и с абразивными шламами.

2. Энергетические затраты.

Как следует из описания – самый дорогой процесс – кальцинация. Здесь и будут лежать источники окупаемости клапанов и энергосбережения.

3. Фондоемкость производства соды

Надежда на энергетику не оправдается. Затраты не велики. Основная эффективность будет лежать в собственно регулировании параметров технологического процесса.

4. Сумма капитальных затрат по объектам основного производственного назначения распределяется следующим образом:

Основные капитальные затраты также лежат в собственно технологических линиях, а не вспомогательных, добычных или транспортных процессах. На таких предприятиях Технологи «правят бал».

5. Структура себестоимости соды кальцинированной характеризуется следующими данными, %:

Примерно также распределится и эффективность от работы арматурного хозяйства в целом. С учетом того, что "технология превыше всего", то задачей для арматуры будет не снижение расходов на содержание и ТО, а на снижение потерь в технологии (графа «сырье и материалы»).

6. Общая сумма затрат на 1 т соды распределяется по стадиям производства следующим образом, %:

Основные процессы – адсорбция, карбонизация, дистилляция и кальцинация занимают все эксплуатационные затраты на производство. И еще раз мы правы в том, что основное внимание при подготовке предложения нужно будет направлять на технологические эффекты и сверхэффекты.

7. Использование тепла в основных отделениях производства соды составляет в долях от общего теплопотребления, %

Если отдельно заняться клапанами для обеспечения подачи технологического пара и газа, то нас ждут обжиговые печи, кальцинация и регенерация аммиака и диоксида углерода. Остальные не интересны. Хотя в последнее время и охлаждающей водой можно заниматься, особенно там, где переводят охлаждение на испарительное охлаждение. Экономия воды – в 40 раз!

8. Определение технико-экономических показателей (ТЭП) в содопоташном производстве.

Выделяются до 100 технико-экономических показателей. Выделим наиболее существенные. Сопоставление отдельных видов технологических затрат для различных аппаратов показало, что при выпаривании стоимость пара составляет 81–87% от суммы технологических затрат на переработку растворов; при сушке 81–87% затрат приходится на долю мазута, при вакуум кристаллизации основной статьей расхода является стоимость воды (71–76%).

Эти данные можно использовать для выделения контуров, обслуживающих именно наиболее ресурсопотребляющие потоки и начинать работу именно с них.

Распределение переменной части технологических затрат на переработку содопоташных растворов показано в табл.1.

Табл. 1. Распределение переменной части технологических затрат

Затраты на пар – основные. Пар и ближе к технологии, чем вода и мазут. При этом все сосредоточено вокруг производства соды. Очень хорошо. Можно будет поискать специализированные решения из прошлого опыта проектирования.

9. Уровень автоматизации как часть ТЭП.

Уровень автоматизации достигает 75–76%, в т.ч. основных процессов (кальцинация, дистилляция) – 90–95%, уровень механизации в основных цехах достигает 71–72%.

Отрасль уже хорошо знакома с автоматизацией. Это важно. Более будет понятно, когда будем говорить о протоколах, нечувствительности, диагностике и пр. Это уже наша сфера и посмотрим на нее попристальнее.

Особенности систем автоматизации и регулирования содового производства

Производство соды относится к сложным объектам химической промышленности, эффективность работы которых может быть повышена путем установки эффективных автоматических регулирующих исполнительных устройств в АСУ ТП.

Характерными особенностями содового производства являются непрерывность и крупнотоннажность технологических процессов, значительное количество основных и вспомогательных отделений, отличающихся сильной взаимозависимостью. На каждое из них воздействует большое число разнородных возмущений. Характеристики самих технологических аппаратов являются нестационарными как по статическим, так и динамическим характеристикам, что требует постоянной корректировки технологических режимов и большего внимания к динамическому регулированию. Особенно важно отметить, самой характерной средой содового производства являются агрессивные, кристаллизующиеся и абразивные среды. В схемах работы имеются рециклы, связывающие режимы основных отделений, поэтому нарушение режима в одном из них приводит к нарушению нормального хода всего производства.

С точки зрения контуров регулирования и управления содовые производства имеют следующие особенности:

– Последовательная технологическая структура, при которой выход из строя или даже временная разгрузка одной из стадий приводит к резкому изменению работы всего агрегата.

– Значительное число параллельно включенных аппаратов в основных отделениях – абсорбции, фильтрации, дистилляции и карбонизации. Например, отделение карбонизации типового многоэлементного завода содержит три серии карбонизационных колонн. В свою очередь каждая серия состоит из 4 или 5 карбонизационных колонн, одна из которых работает в режиме предкарбонизации.

– Отсутствие промежуточных емкостей и жесткие связи между отдельными стадиями.

– Достаточно большие мощности агрегатов, определяющие необходимость длительного цикла непрерывной работы.

– Большое число точек контроля параметров технологического процесса, составляющее часто до 1000 позиций.

– Жесткие требования к качеству регулирования, поскольку нарушение технологического режима распространяются на смежные отделения и в конечном итоге могут приводить к нарушению режима производства в целом или значительным потерям.

1.1. Особенности производства кальцинированной соды.

Производство кальцинированной соды состоит из следующих этапов:

– абсорбции и очистки рассола

– карбонизации

– фильтрации

– кальцинации

– дистилляции

– гашения

– обжига.

Перейдем к клапанам.

Регулирующие клапаны для основного оборудования содового производства.

ИЗВЕСТКОВЫЕ ПЕЧИ

Состав исходных продуктов:

Мел CaCO3, на сухое вещество не менее 96%

SiO2 и нерастворимые в HCl примеси не более 2%

Топливо – кокс не более 82%

Зольность -10,5%

влага – 5%

Летучие – 2,0

Сера 0,5%

Известковые печи

Температура в кожухе – не выше 70оС

Давление – 200–350 мм вод ст.

Вверху печи – 2–10.

Печной газ

Температура – не выше 150оС

Содержание на абсолютно сухой газ

СО2 -33–35%

О2 0,5–1,5%

СО 0,5–2,0%

Пыли г\м3, не более 2,0

Газ после электрофильтра

Температура, оС:

– На входе 30–35

– На выходе 20–25

Разрежение, кПа (70–100)

Содержание СО2–32–34

Пыли не более 10г\м3

Участки регулирования

– Регулирование известково-обжигательных печей предусматривает поддержание стабильной нагрузки печей с учетом потребности в негашеной извести и поддержание оптимальных параметров процесса.

– Регулирование состоит из следующих подсистем:

– Расход воздуха

– Температура газа

– Давление газа в верхней части печи и выброс диоксида серы в атмосферу посредством дроссельных заслонок, степень открытия которых изменяется с помощью регуляторов давления.

– Регулирование подачи топлива.

– Регулирование на участках дутьевых вентиляторов, электрофильтра, промывателей и пр.

С учетом сказанного на этом участке сосредоточимся на стабилизации процесса. Они работают в стационарном режиме и, как правило, относятся к медленным процессам.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ ИЗВЕСТКОВОГО МОЛОКА

Получение известкового молока включает стадии гашения извести горячей водой и очистку известкового молока от крупных кусков необожженного карбонатного сырья, мелких зерен недопала, перекала и др. нерастворимых примесей.

При регулировании решаются задачи соответствия нагрузки в отделении гашения потребности в дистилляции в известковом молоке, а также поддержание постоянной концентрации гидроксида кальция в известковом молоке.

Участки регулирования:

– Регулирование расхода нагретой промывочной воды (слабое известковое молочко) для гашения

– Регулирование на участках промывки после сортировочного барабана

– Регулирование конденсатора

– Регулирование классификатора

– Вспомогательные контуры регулирования на мешалках, шаровых мельницах очистки от шлама, отбросной жидкости дистиллера, пара, дистиллерной жидкости, пробоотборники и пр.

Вот и пришли к сложным участкам. Известковое молочко – один из весьма сложных видов среды для регулирования.

Основными проблемами являются колебания титра молока, т.к. они усложняют дозирование молока в отделении дистилляции и увеличивают потери извести и аммиака с отбросной жидкостью дистиллера. В последней содержание свободного СаО может колебаться в очень узких пределах (1–2 н.д), т.е. в пределах одного нормального деления. В аппаратах отделения дистилляции известковое молоко разбавляется примерно 4 раза. Отсюда следует, что колебания титра молока, поступающего на дистилляцию, не должны превышать 4 н.д.

Титр молока регулируют расходом воды, подаваемой на гашение. Концентрация Са(ОН)2 измеряется каждые 30 мин.

Конечная температура молока (85–95%) в значительной степени зависит от температуры, поступающей на гашение воды, которая подогревается за счет тепла конденсации водяных паров, выходящих из гасителя. Для гашения используют подогретую воду из холодильников газа содовых печей или газа дистилляции.

Сложности для арматуры.

– Налипание и кристаллизация осадка.

– Сложная среда с большим количеством хлор-ионов, вызывающих значительную коррозию даже при высокой щелочности среды (рН 8–11,4).

– Истирание затворов и значительные трудности при страгивании затвора.

– Зарастание трубопроводов и, как следствие, уменьшение проходного сечения, что приводит к изменению пропускной способности и возможной потере линейности регулирования. Желательна регулирующая арматура с более широким диапазоном регулирования.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЧИСТКА СЫРОГО РАССОЛА

Технологическая схема очистки основана на осаждении с предварительной каустификацией содового раствора. Основной задачей регулирования является поддержание стабильности нагрузки по очищенному рассолу. Необходимая степень очистки рассола достигается стабилизацией концентрации рассола и дозирования осадительных реагентов в зависимости от нагрузки и постоянства температурного режима.

Участки регулирования

– Регулирование подачи содового раствора из декарбонизатора

– Разбавление очищенным рассолом известкового молока

– Регулирование подачи содового раствора и известкового молока в каустификатор.

– Регулирование узла отвода шлама

– Регулирование подачи реагентов и сырого рассола

Сложности работы арматуры:

– Инкрустация поверхностей при кристаллизации Ca(CO)3 и Mg (OH)2.

АММОНИЗАЦИЯ (АБСОРБЦИЯ) ОЧИЩЕННОГО РАССОЛА

Технологическая схема процесса абсорбции состоит из участка напора (напорный бак), промывателя воздуха фильтров, промывателя газов колонн, промывателей газа абсорбции, собственно абсорберов, холодильника газов дистилляции, холодильника аммонизированного рассола, сборника конденсата и сборника аммонизированного рассола.

Опыт эксплуатации показывает, что более 50% возмущений режима отделения карбонизации является следствием изменения качества аммонизированного рассола.

Задачами развития технологической схемы участка абсорбции являются повышение уровня регулирования процесса, в частности, за счет реализации схем воздействия на расход рассола, т.к. продолжительность и амплитуды переходных процессов в такой схеме значительно меньше по сравнению со схемой, в которой производится воздействие на нагрузку дистилляции.

Поскольку отделения аммиачного цикла в содовом производстве взаимосвязаны, то важно, чтобы нагрузки были согласованы в динамическом режиме регулирования.

Регулирование процесса

Задачей регулирования является получение аммонизированного рассола постоянного заданного состава путем поглощения всего поступившего на абсорбцию аммиака.

Участки регулирования

– Узел регулирования очистки отходящих газов от аммиака, включая промывку газов свежим рассолом, получения рассола с минимальным содержанием аммиака, охлаждения и отвода тепла при растворении NH3 и СО2 в рассоле и конденсации водяных паров.

– Регулирование температуры рассола на выходе из абсорбера

– Регулирование температуры рассола на входе в абсорбционную колонну

– Регулирование температуры на выходе из промывателя газа

– Регулирование вспомогательных контуров

– Регулирование давления и температуры для стабилизации состава парогазовой смеси, поступающей из отделения дистилляции на абсорбцию через регулирование подачи охлаждающей воды, и степень открытия заслонки на газопроводе, отводящем газ к вакуум насосам.

– Регуляторы температуры рассола

– Регуляторы температуры воды в холодильники

– Регулятор уровня рассола в напорном баке

Какое разнообразие!

КАРБОНИЗАЦИЯ

Является ведущим отделением содового производства. Технологическая схема состоит из колонны предварительной карбонизации, промывателя газа колонн, осадительной карбонизационной колонны, холодильника, трубопровода подачи смешанного газа, подачи газа известковых печей.

Ведущим потоком отделения карбонизации принимается поток диоксида углерода, поступающего из отделения кальцинации.

Регулирование

Решаются задачи поддержания стабильных и оптимальных параметров технологического процесса. Обеспечивается соответствие между количествами подаваемого диоксида углерода и аммонизированного рассола.

Узлы регулирования

– Регулирование постоянного уровня жидкости в колонне

– Регулирование расхода и давления, температуры жидкости на входе, газа на входе,

– Регулирование расхода, давления и температуры жидкости на выходе, газа на выходе

– Регулирование подачи охлаждающей воды и воды на выходе из холодильников.

– Регулирование разбавления и поддержания стабильной концентрации ионов Cl-.

– Регулирование выдуваемого аммиака

– Регулирование параметров вакуум фильтров

– Регулирование уровня

– Регулирование вспомогательных участков

Клапаны систем выпуска газов в атмосферу в связи с наличием экспанзерного газа, содержащего H2, H2S, CO.

Сложности при регулировании

– Множество взаимосвязанных узлов.

– Барботажные узлы, приводящие к повышенной вибрации.

Сложности для арматуры

Основной проблемой является кристаллизация и инкрустация поверхностей гидрокарбонатом натрия, кристаллизующегося из раствора с образованием отложений кристаллической массы. В процессе рабочего пробега колонны происходит зарастание ее внутренней поверхности и поверхностей холодильных трубок отложениями бикарбоната натрия, что приводит к изменению условий пребывания жидкости в колонне, условий охлаждения и, как следствие, условий абсорбции СО2 жидкостью. Карбонизационные колонны каждой серии последовательно, по мере окончания рабочего цикла переключаются на промывку.

Таким образом, частые остановы с целью промывки отложений и повышенная цикличность работы арматуры является особенностью процесса. Так без промывки колонна работает не более 3х-4х суток. Промывка может длиться 16–20 ч. Количество колонн для обеспечения непрерывности процесса составляет не менее 4-х ед.

При расчете арматуры необходимо использовать данные по цикличности работы арматуры в связи с частыми отключениями каскада колонн для промывки.

КАЛЬЦИНАЦИЯ

Технологическая схема процесса кальцинации состоит из следующих узлов: смесителя, питателя, вакуум-фильтра, скребкового транспортера, бункера, шнековых транспортеров, транспортных труб, циклона, коллектора газа содовых печей, холодильника газов содовых печей, промывателя газов содовых печей, сборника слабой жидкости, элеватора, выгружного шнека, газоходов, содовой печи и топки.

Критичной является работа вакуум-фильтра.

Регулирование.

Задачами регулирования являются стабильная работа вакуум-фильтров, и регулирование важных параметров, например, уровня суспензии в корытах вакуум-фильтров, давления воздуха на продувку фильтрующего сукна, уровень промывной воды в напорном баке, расход воды на промывку NaHCO3, поддержание уровня вакуума, стабилизация уровня на линии подачи суспензии.

Узлы регулирования.

В содовых печах

– Регулирование топлива мазута и природного газа

– Регулирование подачи воздуха

– Отвода отходящих газов.

Паровой кальцинатор (как альтернатива содовым печам)

– Регулирование подачи пара

– Регулирование отвода конденсата.

Вакуум-фильтр

– Подача NaHCO3.

– Регулирование расхода промывной воды

Циклон

– регулирование подачи газа с известковых печей

Холодильник газа содовых печей

– Регулирование расхода охлаждающей воды

– Регулирование подачи газа из коллектора газа содовых печей

– Регулирование подачи воздуха в аппараты охлаждения соды с кипящим слоем.

Вспомогательные контуры

– Пневмотранспорт

УЧАСТОК ДИСТИЛЛЯЦИИ

На участке происходит регенерация аммиака из фильтровой и других жидкостей содового производства. Технологическая схема включает дистиллер, теплообменник дистилляции, узел внешнего перелива жидкости, конденсатор дистилляции, напорный бак, мешалку известкового молока, смеситель, испарители, пескоуловитель.

Регулирование

Задачей регулирования является оптимизация и поддержание стабильных параметров отгонки NH3 и СО2. Обеспечивается регулированием расходов фильтровальной жидкости, пара и известкового молока, а также регуляторами давления пара в общем паровом коллекторе и уровня фильтровой жидкости в напорном резервуаре.

Узлы регулирования

Конденсатор дистилляции

– Регулирование подачи парогазовой смеси, фильтровальной жидкости и охлаждающей жидкости

Теплообменник дистилляции

– Регулирование нагревания жидкости и подачи парогазовой смеси

– Регулирование уровня

Дистиллер

– Регулирование отгонки аммиака из жидкой фазы

– Регулирование подачи парогазовой смеси

Смеситель

– Регулирование расхода фильтровальной жидкости и известкового молока

Сложности работы арматуры

Образование гипсовых отложений на рабочих поверхностях арматуры. Необходимость шабрирования как седел, так и поворотного затвора. Избегание подпружиненных седел. Большее внимание к эрозионно-коррозионному износу поверхностей. Вероятность заклинивания, как по седлу, так и по поворотному затвору из-за образования отложений.

Влияние изменений в производительности и маневренности производства

Учитывая как рост производительности, так и ее частое изменение в зависимости от рыночных условий, часто задаются требования частого изменения нагрузки.

Применительно к клапанам это означает требование расширения диапазона регулирования. Это, в свою очередь, приводит к росту использования специализированных клапанов с расширенными расходными характеристиками.

Требования к устойчивости поддержания процесса

Большое значение начинает иметь также и поддержание устойчивых характеристик регулирования с ростом срока эксплуатации. Так, на основе анализа до 500 смен было выявлено, что среднемесячные потери по выпуску кальцинированной соды на одном из заводов составляли до 8% из-за отклонений технологического режима.

Многие из них можно было бы предотвратить, если реализовывать систему технической диагностики, в т.ч. и клапанов. Потери также значительно уменьшатся как за счет сокращения времени на поиск и ликвидацию, так и за счет предотвращения наступления отклонений. Для этого нужны смарт клапаны с развитой диагностикой.

Ужесточение экологических требований

Резкое ужесточение экологических требований привели к тому, что для опасных производств могут применяться клапаны с экологическими сертификатами, сертифицированными на отсутствие выбросов. Для примера, такие клапаны могут быть установлены на участках аммиака и подачи аммиачных рассолов, экспанзерного газа и др., имеющих высокую опасность для персонала. В частности, кратность воздухообмена, требуемая по нормам и СНиП должна составлять не менее 8–10.

Действительно так. Принятие обязательств по снижению экологического риска часто обязывает компании выделять в опасных производствах зоны и системы безопасности, где диагностика клапана должна проводиться на основании специализированных диагностических комплексов без нахождения оператора в опасной зоне.

Подходы к арматуре на основе высокого уровня автоматизации

Спецификой технологических схем содового производства является многоэлементность и, соответственно, как объект управления перед АСУ ТП, оно ставит задачи распределения и согласования нагрузок элементов технологического процесса и отделений.

Дальнейшее совершенствование АСУ ТП связано с расширением функциональных возможностей. Появляются аппараты большой единичной мощности, усложняется технология, создаются замкнутые оборотные циклы производства с целью достичь по возможности полной безотходности производства. Существенное значение в последнее время стали иметь вопросы энергосбережения и энергоэффективности, повышения уровня промышленной безопасности.

С необходимостью совершенствования АСУ ТП связано и появление децентрализованных систем управления. Функции в них значительно перераспределены. Первичная обработка информации осуществляется в автономных процессорах, а центральный процессор берет на себя решение только наиболее сложных задач. Клапан с насыщенной интеллектуальной частью также выполняет ряд диагностических и других задач, которые ранее выполнялись только системой автоматизации.

К слову сказать, если будет принята концепция распределенных систем управления с большой степенью ответственности полевого уровня автоматизации, то система диагностики FIELD CARE легко впишется в такую АСУ ТП.

Учитывая эти факторы, появились новые подходы на основе цифровых сигналов, реализуемых полевыми шинами для лучшего контроля за технологическими процессами. Они с успехом заменяют традиционные щитовые способы представления информации с большим числом операторов, отвечающих только за работу отдельного производственного участка. Это не обеспечивает требуемой согласованности и оперативности в управлении крупнотоннажными агрегатами. Большое число параметров, которые должны контролироваться и диагностироваться, привели к внедрению исполнительных устройств и средств автоматизации на основе возможностей современных АСУ ТП, построенных на высоком уровне обработке информации.

Таким образом, небольшой конфликт уже налицо. Современные распределенные системы автоматизации требуют и цифровых исполнительных устройств, а не достаточно устаревшего HART протокола…

Изменения в связи с ростом степени автоматизации

Благодаря появлению в системах автоматизации дополнительных функций, насыщенность технологических схем исполнительными и регулирующими органами значительно возросла. Количество регулирующих клапанов и функционально связанной с ними запорной арматуры также резко возросло, в связи, с чем актуальным становится вопрос использования клапанов и арматуры, имеющих значительно большую способность к интеграции в системы АСУ ТП, но и желательно, обладающих одновременно и регулирующей и отсечной способностью. Такие решения уже есть, например, у компании Jamesbury.

Рис. 2. Клапаны с конструктивными элементами, предназначенный для интеграции в системы автоматизации.

Изменения в арматурном хозяйстве предприятий

За последние 10–15 лет произошли существенные изменения в арматурном хозяйстве предприятий химической отрасли. Наблюдается устойчивая постоянная тенденция к замене клапанов возвратно-поступательного действия поворотной арматурой. Это особенно выражено в регулирующей арматуре. Возросла роль автоматизации в диагностировании массы однотипного оборудования в т.ч. и (арматуры), постоянно осуществляется перевод систем на цифровую обработку сигналов.

Наверное, можно сказать, что вторая по приоритетности задача будет – уменьшение затрат на обслуживание через полное применение автоматизации диагностики клапанов.

Широкое применение поворотной арматуры и замена седельных клапанов и задвижек

Если в старых решениях в основном применялись вентили, шиберные и клиновые задвижки и только мембранные и поршневые приводы и аналоговые позиционеры, в независимости от типа контура, то в настоящее время выделяются критические контуры регулирования, где необходимость снижения колебательности процесса наиболее высока. Это особенно связано с ростом использования в схемах автоматических анализаторов, а также увеличением числа измерительных контуров в целом. Для таких контуров регулирования все больше применяются специализированные мембранные приводы (для четвертьоборотных клапанов) и интеллектуальные цифровые позиционеры с применением системы диагностики.

Наиболее серьезным преимуществом поворотной арматуры в кристаллизующихся и загрязненных средах содового производства может быть малая площадь износа, концентрирующаяся только в месте трения и не являющаяся лифтом абразивных частиц к сальнику как в случае с клапанами возвратно-поступательного типа.

Будем использовать эти преимущества специальной арматуры Метсо, см. рис.3.

Рис. 3. Преимущества работы поворотной арматуры в тяжелых средах.

Эффективное применение поворотной арматуры должно привести к стабилизации области износа, росту количества циклов срабатывания, меньшим простоям, снижению затрат на техническое обслуживание и увеличению непрерывной работы. Ниже показываем иллюстрацию, рис.4.

Рис. 4. Сравнение поворотной и линейной арматуры. Большее число циклов при непрерывной работе – меньше простоев.

Специализация клапанов и специальные клапаны для сложных сред

Для сложных сред (перекись, щелочи, хлор, хлорсодержащие среды) созданы клапаны, имеющие высокий уровень защищенности, начиная от качества арматурного литья и до систем диагностики, сертифицированных по международным нормам безопасности, включая хлорбезопасность. Важность этого вопроса, где 95% сред имеют ионы хлора, наверное, не вызывает сомнений, рис.5.

Рис. 5. Клапан Jamesbury, сертифицированный для работы в щелочных производствах

Изменения в расчетах клапанов

Значительно усовершенствовались системы расчета регулирующих клапанов для сложных сред в т.ч. и химических производств. Только за последние несколько лет количество протестированных и теперь успешно рассчитываемых сред программой Nelprof выросло до 500, как и возможности коррозионного расчета материала относительно конкретных параметров среды и ее протекания через клапаны, рис.6.

Рис.6. Современные системы расчета клапанов на основе моделирования

Рис. 7. Характеристики разных типов клапанов

Все это без сомнения даст определенные преимущества для подготавливаемого предложения, особенно в качестве регулирования и повышения точности, рис.8

Рис. 8. Уменьшение вариабельности процесса при замене седловых клапанов на высокоточный клапан Neles ACE

Повышение интеллектуальности арматуры

Увеличение интеллектуальности и сложности клапанов, повышение требований к надежности и высокой скорости обработки информации привели к необходимости развития диагностики и сервиса. Для этих целей все больше привлекаются квалифицированные и сертифицированные производителем специалисты сервисных центров. Для поддержки клапанов в эффективном рабочем состоянии и с ростом использования цифровой технологии практически обязательным становится использование встроенных систем диагностики.

Происходит постоянное совершенствование самих клапанов и их инструментария. Наибольшему изменению подверглись приводы и позиционеры, в которых все большую роль начинают играть цифровые позиционеры и приводы с минимальным трением и повышенной точностью выполнения задания. Системы пневматики и преобразования сигнала уже стали единым целым и все больше сочетаются с приводом, также полностью интегрируясь в единый преобразовательный блок. Для опасных производств разработаны специальные позиционеры и устройства интеллектуальной отсечки во взрывозащищенном исполнении, рис. 9,10.

Рис. 9. Система диагностики отсечных клапанов для опасных производств

Рис. 10. Позиционер ND во взрывобезопасном исполнении для опасных производств

Хотя для любого западного инвестора важность этого вопроса не вызывает сомнений, однако для предприятия, желающего шагнуть из 60-х годов 20-го века сразу в 21-й век, наверное, этот переход будет слишком тяжел. Ведь чтобы так широко шагнуть, нужно иметь и образованный по цифровым технологиям персонал, и вытекающую из его желаний зарплату, культуру производства и пр. Правда и ответ напрашивается сам собой – сделать проект вместе с внешним сервисным обслуживанием, когда бы цифровая арматура обслуживалась бы специалистами, имеющими знание и опыт. Но посмотрим…

Изменение требований к КИП и А

Учитывая более высокие требования цифровых устройств к воздуху, предприятия одновременно с модернизацией контуров регулирования проводят и дополнительные мероприятия по подготовке воздуха, одновременно модернизируя системы подготовки инструментального воздуха, или устанавливая фильтры-регуляторы, как на сами клапаны, так и на системы пневмораспределения в целом.

Объем вспомогательных работ может существенно увеличиться и бюджет слишком вырасти. Хотя это, по сути, и не наш вопрос, однако, он может повлиять на решение предприятия.

Изменения в подходе сервису и ремонту

Необходимость снижения издержек за счет повышения ремонтопригодности. Снижение издержек также достигается и применением ремонтопригодной арматуры, где обслуживание и замена внутренних частей может производиться непосредственно на линии. Это – верхний вход на клапане, или простота разборки для поворотных заслонок, а лучше не снимать, а диагностировать…

Повышение требований к унификации

Требования к надежности и сокращению издержек с уменьшением числа производителей качественной арматуры приводят к необходимости дальнейшей унификации клапанов. Целью при этом является выявление дополнительных резервов по снижению эксплуатационных затрат. Производители стремятся разработать многофункциональные, но стандартные клапаны модульного исполнения, в которых внутренние элементы могут заменяться в зависимости от требований конкретного технологического процесса.

Далекое ли это будущее, когда моральное устаревание будет столь быстрым, что даже производители собственных клапанов не будут за ним поспевать. Чтобы немного снизить напряженность этой проблемы, тем более для предприятия, заложившего отдачу от инвестиций за длительное время, этот модульный подход и взаимозаменяемость элементов внутри модуля – спасение.

Изменение в подходах к закупкам и инвестициям

Выделение арматуры и КИП в отдельную спецификацию. Арматура, как один из специализированных элементов технологической линии все более часто выделяется в отдельную спецификацию, что позволяет очень индивидуально применить системы диагностики, сервисного обслуживания, обменного фонда. В то же время клапаны и арматура мировых производителей, выполняемая по проверенным интерфейсам, позволяет работать с различными системами автоматизации.

Все это вытекает из унификации. Она позволяет получить, и диагностику, и консигнационный склад, и обменный фонд. Наша цель будет – максимальное доказательство этого тезиса.

Экономия за счет снижения издержек за весь срок жизни проекта

Несмотря на рост стоимости интеллектуальных клапанов и систем обслуживания, компании находят значительную экономию за счет уменьшения простоев, снижения колебательности процесса, ужесточения технологических параметров, уменьшения неоправданных перерасходов материала, снижения потерь, уменьшения объема хранения запчастей и др.

Рис. 11. Снижение стоимости владения.

Максимальные затраты приходятся на технологические потери, а при расчете издержек на клапан – на обслуживание и ремонт. Их снижение позволит существенно уменьшить стоимость владения арматурой за весь цикл проекта. Наш инжиниринговый смарт калькулятор должен сыграть здесь свою роль. Тогда и финансистам будет легче показать истинные затраты, например, рассчитанные на тонну продукции за срок жизни проекта.

Рис. 12. Эффективность внедрения сервисного обслуживания на основе плановой диагностики

Источники экономического эффекта при модернизации производства с применением интеллектуальной арматуры и цифровых позиционеров ND 9000.

1. Снижение потребления сырья и дорогих химикатов за счет уменьшения погрешности регулирования с 3–5% до 1–1,5% (до 80% от общего экономического эффекта).

2. Повышение выхода кристаллов соды оптимального гранулометрического состава, особенно, по колоннам за счет повышения точности регулирования во взаимосвязанных контурах.

3. Снижение затрат на обслуживание и повышение долговременной стабильности технологического процесса при переходе на цифровые позиционеры с плановой диагностикой.

Еще один важный элемент подготовки предложения – это анализ референцев. Рассмотрим референцы Метсо в содовой промышленности. Метсо работает с основным производителем соды в мире – Бельгийской группой Solvay. Некоторые из 42 предприятий SOLVAY, с которыми работает МА:

SOLVAY SODI, Devnya, Bolgaria

SOLVAY SANAI, Turkey

SOLVAY SODA GMBh, Rheinberg, Germany

SOLVAY Corporation, Brussel, Belgium

SOLVAY, Rosignano, Italy

SOLVAY, Portugal

SOLVAY, Poland

SOLVAY SODA CARBONATE, Alexandria, Egypt

SOLVAY CARBONATE FRANCE, Dombasle, France

SOLVAY IBERICA, Martorell, Spain

Референцы – это самое главное. Предприятия – не научная лаборатория, где можно проводить опыты. А передача на тестирование в опытную эксплуатацию – долго, накладно и неопределенно. Если у вас есть работающие решения – это большая вероятность того, что они будут приняты и на новом предприятии.

Эти положения были использованы в качестве базовых для подготовки предложения по арматуре для содовых производств и применяемых решений, приведенных как в базовом техническом предложении, так и в предложениях по совершенствованию контуров регулирования.

Таким образом, уже на предварительном (подготовительном и информационном) этапе удалось собрать достаточно информации для анализа возможностей использования современных инжиниринговых решений для данного производства. Отметим, что этот этап по напряженности работы и отличимых выводов для дальнейшей проработки со специалистами является наиболее тяжелым и трудоемким. Невидимыми нитями он связан с решениями, которые предлагают конкуренты и собственным видением специалистов, что может абсолютно не соответствовать выводам и последующим решениям, предлагаемым компанией.

За предварительным этапом последовала следующая часть анализа, основанная уже на опросных листах, присланных специалистом КИП, которому было поручено провести работу по получению предложений. С ним же велась значительная по объему предварительная переписка, во многом основывающаяся на диагностических вопросах (см. табл. «Контрольные вопросы в Горобченко С.Л, Применение комплексного инженерно-стоимостного анализа для маркетинговых целей, ТПА – экспресс 1\2013»). Они суммировались в следующие проблемные пункты:

Особенности примененных технических решений по регулирующим клапанам по представленной спецификации

КЛАПАНЫ

1. Большое количество примененных седловых клапанов.

1.1. В частности, для регулирования, там, где могут быть применены поворотные клапаны с большей способностью к регулированию и большей эффективностью. Общее количество регулирующих клапанов по спецификации составило 70 ед. отсечных по лоту 167 ед. из них значительное число – седловых линейных клапанов и задвижек. Имея в основном линейную собственную характеристику, седловые клапаны задают значительные нелинейности и возмущения в контурах.

1.2. Отсутствуют требования по степени линейности характеристики, например: «не менее чем до открытия 60% или выше».

1.3. Проблемой при использовании седловых клапанов могут стать протечки через узел «шток – сальник». Отмечено, что основные выбросы в цеху происходят через регулирующие седловые клапаны.

1.4. При использовании седловых клапанов дополнительной проблемой может стать необходимость постоянных перенастроек для соответствия заданному сигналу. Косвенно, специалисты КИПиА могут стремиться к установке т.н. наиболее «слабых» настроек, что снижает быстродействие систем и приводит к потере качества управления. Если настройки не меняются, то качество управления, как правило, падает. Для устранения подобных явлений, необходимо периодически проводить диагностику работы на соответствие выполнения сигнала заданию. Эффективность применения современной системы АСУ ТП при слабых настройках будет резко снижена. Пример анализа роста дисперсии ошибки со временем из-за слабых настроек показан на рис. 13 (по данным КЦ Промконсалт ВШТЭ СПбГУПТД, Санкт-Петербург).

Рис. 13. Зависимость дисперсии ошибки от коэффициента усиления К при различных возмущениях.

Ниже и доказательство этого, построенного на анализе внедрения многих АСУ ТП с разными исполнительными устройствами. Заметно падение эффективности применения современной системы АСУТП при применении неэффективных исполнительных устройств, рис.14.

Рис. 14. Графики изменения показателей П1, П2 и П3 проекта АСУ ТП при различных вариантах модернизации регулирующей арматуры

1.5. В спецификации отсутствуют требования к позиционированию клапанов и позиционерам, способным работать в современных АСУ ТП.

1.6. При использовании седловых клапанов вероятно увеличение требований к насосам, чтобы обеспечить преодоление появляющихся дополнительных гидравлических сопротивлений. Гидравлическое сопротивление седловых клапанов достигает 4–6, тогда как у полнопроходных шаровых кранов и заслонок – 0,2.

1.7. Для уменьшения гидравлических сопротивлений будет выгоднее работать не в традиционной области 50–60% открытия, а выше.

2. Наличие большого числа элементов, имеющих значительные возможности для унификации, например, поворотные заслонки для регулирования и отсечки в ручном и автоматическом исполнении могут быть унифицированы.

3. Применение в схеме клапанов в варианте «отсечной – регулирующий», особенно для участков с обратным противодавлением среды.

4. Использование специализированного решения с фланцами.

ТРУБОПРОВОД

– Установка новых клапанов в существующую трубопроводную обвязку. При этом заужение трубопровода для обеспечения регулирования (по опросным листам) может достигать более 50%.

– Зарастание трубопровода является одной из главных проблем. Степень зарастания трубопровода может достигать 70%. Пример по опросу специалистов: зарастание трубопровода 600 мм в диаметре с уменьшением диаметра до 100 мм.

– Необходимость учета обслуживания трубопровода с применением заглушек.

– Большая доля чугунных трубопроводов.

– Требование повышения коррозионностойкости для участков аммонизированного рассола. Аммонизированный рассол представляет собой агрессивные растворы из САР с температурой до 70оС и жидкость ПГКл-1 с температурой до 38–40оС.

ТЕХПРОЦЕСС

1. Высокая вероятность изменения показателей регулируемой среды в зависимости от минимального изменения параметров среды и технологического режима.

2. Высокие максимальные расходы для многих контуров подачи газовых сред. При этом имеется значительная разница между максимальным и минимальным расходом.

3. Наличие участков с вредными условиями труда в связи с высокой вредностью производства. Высокий класс герметичности для участков подачи ядовитых сред, характеризующихся высокой щелочностью. Наиболее характерными средами являются Н2S и NH3.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ

1. Проблемы с наличием обученного персонала.

2. Несмотря на заявленные требования по безопасности – отсутствие требований по сертификации по ограничению выбросов, например, сертификации по летучим выбросам (fuggitive emissions).

3. Наличие значительных неопределенных вибраций трубопровода, гидроударов, срывов потока.

4. Отсутствуют требования к эксплуатации, обслуживанию и сервису клапанов.

5. Требование большего внимания к обслуживанию арматуры, в частности, снижения веса. Это позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала до 1 человека вместо 2-х и более.

6. Быстрый износ клапанов приводит к выходу из строя клапанов в течение до 2-х мес. (известковое молочко).

Проблема выбора клапанов для спецификации, понятая как одна организационно-техническая проблема, была обобщена, как показано на рис.15.

Рис. 15. Диаграмма Исикавы организационно-технических проблем на содовом предприятии

Проблемы оказались во многом взаимосвязаны. По экспертным оценкам специалистов предприятия в большей степени регулирующая арматура оказалась связана с техпроцессом и эксплуатацией. Запорная арматура – с трубопроводом.

В целом, решения по клапанам и системе автоматизации оказались очень старыми. Так, управление основывалось еще на пневмосхемах разработки 70-х годов. Осознавая свое отставание, предприятие стремилось внедрить современную технологию на основе современных сетевых решениях АСУ ТП.

Настала пора познакомиться с предприятием поближе и узнать расстановку сил на предприятии. Основные проблемы при внедрении новых клапанов заключаются в т.ч. и в том, насколько специалисты подготовлены к новым решениям и какие уже доминанты находятся в их головах. Анализ «поля сил» и основные приоритеты предприятия, которые связаны с возможностями современной арматуры, и на которые можно было бы опереться при подготовке предложения, являлось основной заботой.

Поскольку мы получили ответы в основном от отдела КИП, то за бортом осталось мнение производств, механика, компании–интегратора АСУ ТП, и непосредственно главных специалистов и главного инженера. Степень их влияния в принятии решения также неизвестна. Как известно, эксплуатация и технологи могут быть и королями мнений и бюджетов, а могут и полностью зависеть от непроизводственных служб.

ВПЕРЕД В «ПОЛЕ»

Спланирована командировка и наши специалисты выехали на предприятие. Проблемы, как мы и ожидали, подтвердились. Старое предприятие, желающее стать более конкурентоспособным, имеющее большой потенциал экспорта, но имеющее и все проблемы, характерные для старых постсоветских промышленных гигантов.

Первый день полностью провели на ногах, общаясь по возможности со всеми специалистами, которые будут привлечены к реконструкции. Пройдены все участки, где планируется установка новой системы автоматизации и клапанов, проведены встречи с большинством начальников цехов, механиками, технологами и киповцами.

На встречах не раз боролись мнения технологов и эксплуатации, КИПа и механиков. Яркая картина противостояния различных мнений, где, похоже, решающее слово будет за эксплуатацией. Однако своего слова не сказал еще главный инженер, и мы знаем, что на вертикально-интегрированных предприятиях с Советской школой мнение руководства может быть определяющим. Намечено совещание, на котором будет заслушана наша компания, и мы должны предложить наиболее сильное решение, удовлетворяющее всех специалистов.

Важным дополнением к информации, которую мы получили от отдела КИП, стало то, что до сегодняшнего дня ни у одного из специалистов нет уверенности в том, какие клапаны могут действительно работать на таких сложных кристаллизующихся средах с высокой вероятностью быстрого зарастания, как сода. Предприятие использовало множество клапанов от различных производителей и так и не нашло подходящего. В связи с этим не раз звучало, что мы должны поставить клапан на испытание. Определились и другие проблемы, связанные с предыдущим опытом предприятия.

ИНЖЕНЕРНО-СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ

Наступила очередь настоящего инженерного анализа опросных листов и разработки общих технических положений для последующей подготовки ТКП. При анализе опросных листов поэлементному анализу подвергся каждый из типов установленной арматуры и причины его установки. Особое внимание уделяли при этом несоответствию между типом устанавливаемого клапана, его стоимостью и его функциональной значимостью для процесса регулирования, возможности работы в кристаллизующейся среде и другим критериям, вызывающим повышенную озабоченность специалистов. Схема типовой ранее используемой и предлагаемой арматуры показана на рис.16.

Рис. 16. Общий вид используемого клапана

Для проведения поэлементного анализа и сравнения с возможными проблемами, которые могут возникнуть при эксплуатации в аммиачной воде и кристаллизующихся средах из инструкции по эксплуатации был взят поэлементный чертеж клапана, рис.17.

Рис. 17. Сборочный чертеж клапана

Одновременно из инструкции по эксплуатации были выделены основные сведения, касающиеся запчастей, неисправностей и способов их устранения, рекомендуемых заводом-изготовителем. Данные по основным узлам были сведены в матрицу функций, с целью дальнейшего проведения поэлементного анализа.

Табл. 1. Матрица функций элементов арматуры

Прим.* О – основной элемент; В – Вспомогательный элемент; Вр – оказывающий вредное воздействие

Функциональный поэлементный анализ

Разбиение элементов на основные и вспомогательные позволяет провести их функционально-стоимостной анализ поэлементно. Основными элементами клапана являются рабочий орган и седло, как функциональный центр клапана, относительно которого и происходит все регулирование. Шток, сальники и подшипник, обеспечивают «силовую» и «трансмиссионную» часть клапана и работу рабочего органа. Наконец, вспомогательную функцию объединения всех деталей и направления потока в рабочую зону рабочего органа и седла обеспечивает корпус. Роль фланца состоит в обеспечении крепления клапана к трубопроводу. Разберемся в их роли подробнее и поищем, где есть разрывы между стоимостью узла (элемента) и его вкладом в выполнение полезной функции.

Первым из таких элементов выступал собственно тип клапана. Седловой клапан, как показанный на рис.18, не имеет возможности регулировать при сложном переменном составе среды. На нем происходит залипание и кристаллизация среды, со значительным уменьшением условного прохода. Значительные гидравлические сопротивления не дают возможности использовать все сечение трубопровода для перекачки дисперсных кристаллизующихся сред. Тем более невозможно сэкономить на уменьшении энергопотребления насосами.

Чтобы обеспечить работоспособность клапана в условиях абразивного износа, проектанты часто приравнивают эти условия к максимально жестким и, соответственно закладывают максимально жесткие конструкции клапанов. Например, ими могут быть пробковые клапаны. Однако среда забивается под конус, а высокая поверхность соприкосновения в этом случае создает «лучшие» условия для забивания трущихся поверхностей седла и конусной пробки и последующего непременного заклинивания.

Таким образом, жесткие конструкции клапанов не подходят. К тому же любое сужение, перегибы проточной части, как показано в вентиле, помогают абразивному износу. Оптимальным решением была бы полностью проходная проточная часть.

Вторым из таких элементов с непропорционально высоким вкладом в стоимость клапана и выполняемой функцией оказался фланец клапана. Основная функция фланца – обеспечивать присоединение арматуры к трубопроводу и гарантировать его безопасную эксплуатацию. Но при рабочих давлениях не выше 1–3 Бар, можно обойтись и без фланца на клапане, что существенно снизит его стоимость. Различные вибрации, возникающие в трубопроводе, хорошо гасятся все больше внедряемыми спирально-навивными прокладками. А ведь стоимость фланца в клапане весьма высока и часто поднимает его стоимость более чем на 30%. Явный разрыв. Нет фланца – есть экономия. А бесфланцевый клапан при таких давлениях вполне применим.

Третьим элементом был собственно шток и трудности его уплотнения в таких кристаллизующихся средах. Движение такого штока вверх-вниз с налипшей на него средой всегда приведут к повышенному износу сальникового уплотнения, а за ним и к утечкам и заклиниванию. Собственно цепочка – «седловой клапан (типа вентиля)» – «проблемы утечки и заклинивания» – «проблемы износа штока и уплотнения» взаимосвязаны. Корнем проблемы является возвратно-поступательный тип клапана.

Четвертым элементом с непропорционально большим вкладом в стоимость арматуры оказался корпус и, особенно, материал корпуса. Была применена нержавеющая сталь. Поиск данных по коррозионной стойкости различных материалов в используемых щелочных средах показал, что в своем большинстве может быть применена углеродистая сталь. Она имеет большую прочность и твердость по сравнению с обычно применяемой нержавеющей сталью, и способна значительно больше сопротивляться коррозионно-эрозионному износу. Здесь удалось найти значительно большую почву для экономии по сравнению с другими элементами.

Несмотря на очевидность необходимости корпуса для формирования потока, корпус – это вспомогательная деталь. При этом корпус – самая дорогая, самая сложная в изготовлении и материалоемкая деталь, достигающая до 70% стоимости изготовления всего клапана. Чем меньше корпуса, тем лучше. Чтобы реализовать это на практике – нужно упростить форму, лучше до формы, близкой к трубопроводной, обеспечить полнопроходность, уменьшить размеры, например, за счет устранения фланцев и передачи их в трубопровод (т.н. прифланцовываемое исполнение).

Как видно, рабочий орган и седло оказывают не только положительное (регулирующее воздействие), но и из-за дросселирующего эффекта они могут оказывать отрицательное воздействие на среду после себя, например, при неправильном расчете вызывая значительную нелинейность, автоколебания, в критичном случае – кавитацию, вскипание, слишком значительное падение давления и пр. В связи с этим и, учитывая характер среды, лучше работать в верхней части диапазона регулирования.

Как видно, многие проблемы тянутся одна за другой и представляют собой одну цепочку, упирающуюся в неправильно когда-то подобранный тип клапана. Лучшим решением может быть такая конструкция клапана, которая сама обеспечивает защиту, и от налипания, и от заклинивания. Ею оказывается конструкция сегментного клапана. Набегающий поток входит в чашу сегмента и препятствует прямому контакту металла сегмента и истиранию при трении последующих входящих струй зарастающего трубопровода. Бесфланцевое исполнение, полнопроходность, широкий диапазон регулирования для работы в условиях зарастающего трубопровода также выполнимы для сегментного клапана.

Все выявленные проблемы и недостатки были сведены в диагностическую таблицу 4, см. ниже.

Табл. 4. Экспертно-диагностическая таблица клапана

*Оценка часто проводилась по прайс-листам на отдельные детали и стоимость запчастей.

** материал учтен в стоимости каждого из элементов

Таблица показала озабоченность всех корпусом, как основным узлом, объединяющим все элементы в единое целое. Значительную озабоченность вызвал фланец, однако, в основном за счет его высокой материалоемкости. Рабочий орган и связанное с ним седло вызывают наибольшее внимание в функциональной значимости, а также в отделах, связанных с реальными процессами регулирования (эксплуатация, технологи, механики, КИП). Такие элементы как шток, сальник, подшипник связаны в основном с проблемами ремонта и передачи усилия и относятся в целом к проблемам отдела главного механика.

На основании диагностической таблицы были выработаны основные технические положения и рекомендации по расчету клапана.

1. Фланец. Как элемент, повышающий материалоемкость, рекомендуется к исключению. Применить бесфланцевое исполнение арматуры в позициях, допускающих применение такой арматуры по условиям давления, температуры и протекающей среды.

2. Корпус. Это элемент, имеющий высокую материалоемкость и трудоемкость. Рекомендуется применить по условиям коррозионностойкости более дешевые и прочные материалы (углеродистую сталь) с общим уменьшением веса изделия до 10%. Выполнение корпуса – полнопроходное, бесфланцевое.

3. Рабочий орган. Рекомендуется использовать чашевые сегменты, как эффективно использующие возможности самого потока по снижению абразивного износа.

4. Седло. Рекомендуется обеспечить значительно большую неистираемость седла, а также учитывая вероятность образования кристаллизации и налипаний на сегменте – рассмотреть возможность использования шабрирующих седел, с посадкой с натягом (без подпружинивания) чтобы избежать кристаллообразования под седлом с последующим заклиниванием клапана.

5. Шток, сальник, подшипник. В зависимости от конструкции клапана и, учитывая обеспокоенность их состоянием в основном отдела главного механика, изучить возможности диагностирования и настройки позиционеров на диагностирование их состояния в режиме он-лайн.

На основании представленных материалов была выбрана наиболее эффективная конструкция клапана для регулирования на основании прифланцовываемого сегментного клапана, рис. 18.

Рис. 18. Выбранный регулирующий сегментный клапан серии RA

Сборочный чертеж клапана представлен ниже

Рис. 19. Сборочный чертеж клапана серии RA

Результаты анализа

Среднее снижение размеров по строительной длине составило при условном проходе 100мм 400мм (115мм против 530мм) и по высоте до 400мм (306 мм против 703мм). Особенно впечатлило изменение в весе клапана – снижение веса достигало до 130кг (15кг против 159кг). Столь сильное изменение веса было связано не только с устранением фланца на клапане, но также и с тем, что на два размера изменялся расчетный проход для обеспечения требуемой пропускной способности. Возможности регулирования при наличии V-образного прохода расширялись и создавали возможности увеличения диапазона регулирования с 15–25% максимально для представленных клапанов до регулирования в диапазоне 5–95% по предлагаемому клапану, что важно для условий зарастания.

Большую роль в понимании того, какая конструкция могла бы в большей степени соответствовать долговременным тенденциям развития клапанов для этого сегмента, оказали законы развития технических систем (подробнее см. Горобченко С. Л. Трубопроводная арматура и клапаны: законы развития технических систем и «технологическое проталкивание» в маркетинге, журнал ТПА, №5 2011, стр.58–62.).

Так, закон повышения идеальности предписывает повышение компактности – уменьшение сил, размеров и времени выполнения операций. В нашем случае он достигается при помощи перехода к другой конструкции клапана, по возможности, устранением фланцев, перехода к четвертьповоротному, более быстрому выполнению действия. Попутно решается и задача уменьшения вибрации, столь актуальная для производства с частыми сменами режимов, многочисленными пусками и остановами карбонизационных колонн.

Часть закона, касающаяся повышения идеальности выполнения функций (в нашем случае – регулирования), также явно выражена в конструкции сегментного клапана. Он имеет ту же пропускную способность, что и устанавливаемый ранее вентиль, только имеет на 2 размера меньше по сравнению с ним. К тому же он способен давать равнопроцентную характеристику с 5 до 95% открытия, что несравнимо лучше по сравнению с клапаном типа применяемого вентиля. Сила этого закона также проявилась и в том, что равнопроцентная характеристика значительно лучше отвечает требованиям надсистемы регулирующей арматуры – контура регулирования и системы автоматизации.

Проверка по закону повышения динамичности конструкции в нашем случае также показала верность выбранного пути. В частности, если следовать традиционной логике, то в этом случае необходимо было и дальше продолжать ужесточать конструкцию, например, вводя керамические элементы или полностью перейдя на керамический клапан. Однако цена такого клапана для недорогих сред является экономически нецелесообразной. Выбор же в сторону более динамичного сегментного клапана, где его защита в большей степени осуществляется в динамике самим потоком, лучше соответствует закону и одновременно идеальному конечному результату – клапан сам себя защищает от вредных воздействий.

Резкое снижение веса – это не только повышение степени идеальности, но и вытеснение человека из системы, создающее предпосылки для развития автоматических систем диагностики. В нашем случае сегментный клапан вписывался и в эту долгосрочную тенденцию, в которой и проявляется действие этой закономерности. В дальнейшем можно было наметить пути дальнейшего вытеснения человека из уровня управления, за счет повышения диагностируемости клапана, роста использования нематериальных частей и программирования с ростом применения цифровых позиционеров.

Представление результатов

Разработанное решение было представлено специалистам компании–клиента и закреплено в протоколе совещания у главного инженера, по рассмотрению реализации мероприятий поставки регулирующей и запорной арматуры фирмы «Метсо». Важность совещания заключалась в том, что решение принимается всеми отделами. В нашем случае это были начальник ПО, главный метролог, начальники производств ХК, БС, кальцинированной соды, и др. (их много), руководитель СИ и ТР, начальник ТО, зам. главного энергетика, начальник УС. Выдержку из протокола см. ниже:

Как видно из протокола, специалисты предприятия не были уверены в силе решения, справедливо считая, что оно является слишком новым и должно быть подтверждено референцами, см. п. 1;3;8;9. В противном случае предполагалась сначала установка клапанов на опытную эксплуатацию и только после этого переход к закупке всей спецификации. Этот вариант был неприемлем из-за сроков и дополнительных финансовых затрат.

Дорабатываем предложение

Для решения вопроса был изучен опыт компании Метсо в других странах, чтобы найти возможные референцы установки сегментных клапанов. В результате была подтверждена правильность выбора клапанов, и из одного из зарубежных офисов был получен подробный отчет о применении сегментных клапанов для содовых производств.

Чтобы быть ближе к реальности мы поискали, где в России и СНГ хорошо стоят клапаны серии RE, поскольку это весьма новое решение по сравнению с традиционным. Оказалось, много где…

Рис. 19. Применение сегментных клапанов RA на содовом участке металлургического предприятия

Грамотное техническое описание и доказательная референтная база окончательно склонили специалистов предприятия в пользу сегментных клапанов.

Работа над коммерческими условиями поставки

Работа команды специалиста по инжинирингу и менеджера не заканчивается на выборе клапана. Необходимо изучить и финансовые возможности компании–потребителя и предложить наиболее выгодные условия поставки и финансирования. В нашем случае клиент не мог позволить себе приобретение всего пакета клапанов для реконструкции, который составлял свыше 500 клапанов и просил перенести часть поставки на следующий год.

Разработка условий финансирования и поставки для получения наиболее низкой цены и снижения сопутствующих затрат являлась следующей частью работы. Для снижения финансовой нагрузки необходимо было привлечь контрактора. Контракторы – это компании, специализирующиеся на проведении контрактов, способные снижать финансовую нагрузку на предприятия и часто на производителей арматуры за счет оптимизации налоговых вычетов, например, по выплатам НДС или их взаимозачетам при расчетах по экспортно-импортным операциям, таможенным и логистическим платежам. Но более важно было создать условия для клиента в снижении общей финансовой нагрузки по единовременным платежам. Для этих целей было предложено использовать схему лизинга арматуры и была проработана лизинговая поставка. Подготовленное письмо совместно с лизинговой компанией под эту поставку показано ниже:

Таким образом, задача выбора основного регулирующего клапана для содового производства на основании инженерно-экономического анализа была решена и решение обосновано для каждого из отделов с учетом долгосрочных тенденций развития арматуры.

Со стороны такой объем работы для одного предложения кажется слишком большим. Но представьте, что у Вас есть поток таких предложений, и Вы уже создали требуемые альянсы с партнерами, а в запасе у Вас множество вариантов под различные и индивидуальные требования потребителя. И самое главное, вы владеете методикой анализа и подготовки предложения, опытом формирования предложений с учетом интересов всех заинтересованных сторон.

Степень близости к финишной ленте заказа арматуры именно вашей компании, а не конкурента, будет несравнимо выше.