Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры»

Горобченко Станислав Львович

Сравнение кривых крутящего момента четырех механизмов преобразования движения с требованиями к крутящему моменту двух общих поворотных клапанов в приведенном примере показывает факторы, которые должны быть определены, когда проводится выбор и определение размеров подходящего привода. Рейка и шестерня реечно-зубчатого механизма должны быть такого размера, чтобы их постоянный крутящий момент имел удовлетворительный коэффициент запаса (безопасности) (обычно 10%) выше требуемой посадки и сброса, необходимых для клапана. Для получения плавного и точного управления с клапанами, хорошее правило заключается в том, чтобы удостовериться, не использует ли привод более 40-60% его допустимого крутящего

момента в диапазоне дросселирования. Это дает шарнирно-рычажному механизму преимущество, так как продольный зазор имеет размер с достаточным крутящим моментом для входа и выхода из седла, при этом у него остается много запасного крутящего момента в диапазоне дросселирования в диапазоне, где это необходимо для хорошего контроля. Хотя кривая крутящего момента треугольного шатунного механизма соответствует требованиям двух клапанов в примере, если он имеет размер, подобранный на основе небольшого коэффициента запаса, обычно необходимого для входа и выхода из седла, он предлагает наименьший запасной крутящий момент для лучшего управления. Шарнирный кривошип интересен тем, что у него есть много факторов безопасности входа и выхода из седла и точно следует требованиям к обеспечению достаточного момента в среднем положении хода клапана.

Большинство пружинных и мембранных поворотных приводов использует шарнирный кривошипный механизм; поэтому у них есть кривая крутящего момента, которая достигает пика в середине хода, как показано на рис. 1.3. Кривые крутящего момента пружинно-поворотных приводов собраны более сложно из-за добавления усилия пружины. Кривые отличаются для пневмоприводов, где воздух создает крутящий момент, но имеет противодействующее усилие пружины, действие которой увеличивается с поворотом привода, и ход пружины, где усилие пружины создает крутящий момент, но усилие уменьшается.

Выбор привода с достаточным крутящим моментом, чтобы вставить и вытащить клапан из седла, решение должно быть основано на нижнем крутящем моменте в конце хода. Например, если клапан должен быть пружинно-закрывающим, то привод выбирается исходя из крутящего момента на конце хода пружины для обеспечения того, чтобы привод мог надёжно закрыть клапан. Для клапана, который должен быть "пружинно-открывающим", конец крутящего момента хода при подаче воздуха – это то, что должно быть использовано при выборе привода.

Рис. 1.3. Кривая вращательного момента пружинно-возвратного привода с механизмом преобразования движения шарнирно- коленчатого вала

В течение многих лет производители арматуры публиковали таблицы размеров клапана, перепада давления в процессе и размер привода, чтобы помочь пользователям выбрать подходящий привод для конкретного применения. В общем, эти таблицы часто приводят к удовлетворительной производительности привода, но теперь производители клапанов стали разрабатывать программное обеспечение для определения размеров приводов, которое включает в себя математический анализ геометрии привода, геометрию клапана и анализ динамических процессов, действующих на клапан, чтобы точно рекомендовать лучший привод для конкретного клапана и процесса.

На рисунке 1.4 показаны результаты компьютерного анализа подбора параметров размера клапана, геометрия привода и динамика процесса, воздействующая на клапан. На основании условий процесса, типа и размера клапана, программа рассчитывает процент хода клапана при каждом заданном состоянии потока, или, как в данном примере, хода клапана в диапазоне от 21,4 до 74,1% (см. ячейки, пронумерованные 1, 2 и 3 на рис. 1.4). На основании условий процесса и конструкции клапана (ячейка 4) программа рассчитывает необходимый вращающий момент посадки и сброса на седло (вставка 6). Также вычисляется вращающий момент, необходимый для малой регулировки открытия и закрытия дроссельной заслонки на каждой из данных точек условий процесса (Вставка 7).

Рис. 1.4. Программа анализа геометрии клапана и привода и силовые процессы, происходящие в клапане

Используя вычисленную кривую выходного крутящего момента для выбранного привода, программа вычисляет коэффициенты нагрузки при посадке и выхода с седла и дросселирующей нагрузке. Коэффициент нагрузки определяется как процент от доступного крутящего момента привода в процентах перемещения, которое требуется для перемещения клапана.

В связи с постоянным развитием промышленных процессов, инструменты для поддержания и регулирования этих процессов продолжают развиваться. Эффективность и прибыльность зависит от правильности определения и установки технологических элементов, таких как регулирующая арматура и приводы. Как и следовало ожидать, инструменты, используемые для подбора правильных размеров, будут продолжать развиваться вместе с этой системой.

1.2. Вариабельность процесса

Как управлять качеством продукции и надежностью работы регулирующих клапанов через обеспечение устойчивости процесса? Вариабельность, которую также называют переменностью или колебательностью процесса, относится к любому нежелательному изменению того, что оператор контролирует – расход, давление, температура, уровень и т.д. Причиной, по которой важно, чтобы эти управляемые переменные существенно не менялись, является то, что они могут повлиять на изменения в свойствах или качестве конечного продукта.

Если есть проблема отклонений и колебательности, есть несколько способов решения этой проблемы. Одна стратегия состоит в том, чтобы продукт превосходил технические требования. Например, мельчайшие просветы на рулоне бумаги создают большие проблемы при продажах. Проблема заключается не в том, чтобы раздавать бесплатный продукт, поскольку на современном конкурентном рынке большинство не может себе этого позволить, а держать процесс в наиболее устойчивом состоянии с минимальной колебательностью процесса.

Если производится некачественный продукт, то его нужно, либо продавать за меньшие деньги, переработать (например, пропустить углеводородное сырье обратно через колонну или реактор, или повторно произвести рулон бумаги из брака), что требует энергии и времени и, следовательно, это дорого, или продать с потерей прибыли. Если клиент обнаруживает, что приобрёл некачественный товар, он начнет покупать у кого-то другого.

Другим потенциальным результатом чрезмерной колебательности процесса является то, что для того, чтобы сделать приемлемый продукт, среднее количество израсходованного сырья должно быть сокращено. Существует также возможность создать дополнительную нагрузку на регулирующую арматуру, другие виды арматуры или другое технологическое оборудование, которое может привести к излишнему техническому обслуживанию и незапланированным простоям. В любом случае, колебательность процесса может стоить денег.