1.4.2. Вибір регулюючих клапанів1

Хоча описано багато методів вибору розмірів регулюючих клапанів, у більшості з них розрахунок починається при заданих початковому та кінцевому тисках. Насправді ці тиски лише в окремих випадках постійні, і ще рідше вони вибираються так, щоб забезпечити оптимальні характеристики процесу.

Регулюючий клапан повинен працювати в системі з трубопроводами, резервуарами і насосами чи компресорами. У загальному випадку спочатку визначають характеристики резервуарів, потім розраховують трубопроводи, виходячи з оптимального співвідношення капітальних та експлуатаційних затрат. Далі вибирають насос або компресор², вважаючи, що регулюючий клапан вносить деякі додаткові втрати тиску в системі. Величину цих втрат зазвичай задають довільно, приймаючи її рівною 25 — 33% (1/4...1/3). Вибір двигуна насоса чи компресора визначає і втрати потужності на регулюючому клапані. Зауважимо, що в будь-якому заданому потоці двигун створює певний напір, частина якого втрачається на заданих опорах резервуарів і трубопроводів, а співвідношення між цими втратами встановлює регулюючий клапан. Тому заміна клапана без заміни двигуна не може вплинути на втрати роботи⁴ на самому клапані.

Р егулюючий клапан - це клапан, який встановлюється на магістральних і технологічних трубопроводах, технологічних апаратах, установках, резервуарах і т.д., що призначений для регулювання витрати середовища в трубі. Як правило, з електроприводом. Входить в автоматичні системи керування або регулювання та діє на потік технологічних або теплоенергетичних процесів. Він складається з регулюючого органа (самого клапана), який змінює січення потоку, та виконавчого механізму, який отримує командну інформацію від автоматичного регулятора чи промислового мікроконтролера та передає її регулюючому органу. Регулюючі клапани використовуються для підтримки тиску, рівня, температури, концентрації шляхом регулювання витрати середовища (рідини, газу тощо).

Насос - (розм. водяна помпа, колонка) — це пристрій (гідравлічна машина, апарат або прилад) для напірного переміщення (всмоктування чи нагнітання) переважно крапельної рідини в результаті повідомлення їй зовнішньої енергії (потенціальної та кінетичної). Компресор - (від лат, compressio — стиснення) - це пристрій для стиснення та подачі (переміщення) повітря чи іншого газу під тиском. Розрізняють поршневі та гвинтові компресори. Компресори по принципу дії поділяються на об'ємні, лопастні та термокомпресори.

³Двигун - це пристрій, який перетворює будь-який вид енергії в механічну. Двигуни поділяють на первинні та вторинні.

⁴Робота - це величина, яка характеризує перетворення енергії з одного виду в інший, яке відбувається в заданій фізичній системі. В механіці робота є мірою дії сили і залежить від величини, напрямку цієї сили та переміщення точки її прикладання.

Розмір регулюючого клапана потрібно вибирати до вибору первинного двигуна, а не після. Допустимий перепад тиску на клапані необхідно визначати у залежності від необхідного діапазону регулювання, а не задавати довільно. Якщо перепад тиску на клапані дуже малий, то його вплив на процес буде значно змінюватися залежно від витрати, і регулювання може стати нездійсненним. Настання цього стану строго залежить від необхідного в даному процесі діапазону регулювання і від номінальних характеристик регулюючого клапана.

Витрата рідини через регулюючий клапан пов'язана з перепадом тиску формулою:

де: F - витрата⁵, м³/с;

(Аналогічна формула, в якій враховується коефіцієнт стискуваності, існує для газів.)

Якщо величина постійна, то витрата прямо пропорційна ступеню відкриття клапана. Але зменшується пропорційно до квадрату витрати внаслідок опору резервуарів, трубопроводів і внутрішніх частин насоса. Тоді доступний для регулювання перепад тиску зменшується від максимального значення , що відповідає нульовій витраті, до величини

де: С_r - сумарний коефіцієнт витрати на заданих місцевих опорах.

Вираз (1.46) можна записати також для максимальної витрати F_M, яка відповідає повністю відкритому клапану. У цьому випадку Ар досягає мінімального значення . Розділивши вираз (1.46) при довільній витраті F на такий же вираз при максимальній витраті F_M, виключимо :

Аналогічно можна переписати (1.45) для F_M. У цьому випадку і

. Розділивши вираз (1.45) на такий же вираз, обчислений при максимальній витраті F_M, виключимо і

⁵ Витрата - це кількість рідини, газу чи сипучих матеріалів, які протікають через поперечний переріз потоку за одиницю часу.

Масова витрата - це маса рідини, яка протікає через живий переріз потоку за одиницю часу.

Якщо з виразів (1.47) і (1.48) виключити , можна пов'язати відносну витрату F/F_M зі ступенем відкриття клапана і відношенням мінімального перепаду тиску до максимального:

На рис. 1.11 наведені криві відносної витрати в залежності від ступеня відкриття клапана.

Якщо клапан має лінійну характеристику , тобто ступінь відкриття клапана а дорівнює відносному переміщенню штока т, то характеристика, представлена на рис. 1.11, буде його номінальною характеристикою. Коли бажано мати лінійну номінальну характеристику, то при використанні лінійного клапана в ньому буде витрачатися майже весь перепад тиску, наявний у системі. З точки зору економії енергії при такому режимі роботи клапана для більшості матеріальних потоків, що зустрічаються в силових установках, енергія⁷ буде витрачатися даремно. Тому необхідно орієнтуватися на іншу характеристику клапана, яка забезпечила б майже лінійну залежність між положенням штока та витратою.

Клапан, який міг би виконувати таку функцію, має рівновідсоткову характеристику⁸. Вона є за своєю природою логарифмічною і відповідає наступному співвідношенню між відкриттям клапана та положенням штока:

де: r - задана амплітуда регулювання клапана; т - відносне переміщення штока.

Лінійна характеристика - це характеристика регулюючого клапана, в якої пропускна здатність пропорційна входу клапана. (Пропускна здатність - це основна

характеристика регулюючих клапанів; це - витрата речовини густиною 1000 ^кг/_м , яка проходить через регулюючий клапан при перепаді тиску на ньому 0,1МПа=100кПа.) ⁷Енергія - (від грец. energeia — дія, діяльність) - це скалярна фізична величина, яка являється загальною кількісною мірою руху та взаємодії всіх видів матерії. Закон збереження енергії: енергія в природі не виникає з нічого і не зникає, вона тільки може переходити з однієї форми в іншу (загальна енергія замкнутої системи не змінюється в часі). Існують різні форми енергії: механічна, електромагнітна, ядерна й ін. ⁸Рівновідсоткова характеристика - це характеристика регулюючого клапана, в якої приріст пропускної здатності пропорційний входу клапана.

Виробники клапанів зазвичай вказують діапазони регулювання, які відповідають зміні в 33 і 50 раз^А, хоча згадуються і діапазони зміни в 500 і навіть 1000 раз. Можна отримати графік залежності витрати від положення штока для параметрів, наведених на рис. 1.11, якщо розв'язати рівняння (1.50) для декількох значений т, а потім обчислити вираз (1.49) для знайдених значень . Результати для клапана з діапазоном регулювання, який відповідає зміні в 50 раз, представлені на рис. 1.12.

Із рис. 1.12 видно, що клапан із рівновідсотковою характеристикою здатен забезпечити майже лінійну номінальну залежність, коли перепад тисків при максимальній витраті порівняно малий. Необхідно врахувати, що діапазон регулювання зменшується пропорційно заданому перепаду тисків.

При повній витраті перепад рівний , а при нульовій витраті він зростає до Тому номінальна амплітуда регулювання для клапана

виражається залежністю:

^АТут говориться про відношення max діапазону регулювання до min діапазону регулювання. Наприклад, рази.

Коли на долю клапана, характеристика якого представлена на рис. 1.12, при повній витраті припадає лише 5% перепаду тиску у всій системі, амплітуда регулювання зменшується від 50 до 11,2. Але в більшості випадків цього достатньо для забезпечення належного регулювання. Тоді можна зекономити 25% потужності, вибираючи клапан і двигун на заданий перепад тиску в 5% замість номінального значення 30%. Незрозуміло, чи варто намагатися ше більше зменшити перепад тиску на клапані, зробивши його менше 5%, - це може виявитися невигідним.

Можна виправити навіть такі ситуації, коли насос має надто великі розміри (що призводить до надто великого перепаду тиску на регулюючому клапані). Якщо клапан достатньо великий, про що свідчить надмірне дроселювання навіть при повній витраті, то робоче колесо насоса можна зменшити до такої міри (такого ступеня), що клапан працюватиме в режимі, близькому до повного відкриття. При необхідності можна встановити клапан більшого розміру та змінити лінійну характеристику на рівновідсоткову.

Досить часто, внаслідок того, що деякі властивості процесу нелінійні, бажана номінальна рівновідсоткова характеристика. В такому випадку може знадобитися зовнішній задаючий пристрій із функціональним перетворювачем довільної функції, множним або ділильним блоками.

Продовжується робота у напрямі використання турбіни¹⁰, яка відновлює енергію, замість регулюючого клапана. Хоча така мета (ціль) і похвальна, вона, мабуть, не входить у круг завдань, вирішуваних виробниками регулюючих клапанів. Замість цього при розрахунку технологічного процесу конструктор повинен визначити, яке устаткування (обладнання), яке відновлює енергію, необхідне для обслуговування його установки, а потім вибрати регулюючі клапани, здатні забезпечити найбільш ефективне на практиці регулювання цього устаткування (обладнання).

Д роселювання - це протікання рідини, пари чи газу через дросель - місцевий гідродинамічний опір потоку (звуження трубопроводу, вентиль, кран й ін.), при якому відбувається зміна тиску та температури (ефект Джоуля - Томсона). Ефект дроселювання використовується головним чином для глибокого охолодження та спалювання газів. Дроселювання широко застосовується для вимірювання та регулювання витрати рідин і газів.

¹⁰Турбіна - (фр. turbine або від лат. turbo, родовий відмінок turbinis — вихор, обертання з великою швидкістю) - це двигун з обертальним рухом робочого органа (ротора), який перетворює в механічну роботу кінетичну енергію робочого тіла, яке підводиться, - пари, газу чи води. Застосовується в якості приводу (двигуна) електричного генератора на атомних і теплових електростанціях, в якості двигунів на морському, наземному та повітряному транспорті, як складова частина гідродинамічної передачі.

1.4.3. Забезпечення мінімального дроселювання

Коли клапан закритий, у ньому не губиться потужність, оскільки витрата дорівнює нулю. І при повній витраті втрати потужності невеликі, тому що перепад тиску мінімальний. Виявилося, що втрати на клапані максимальні, коли витрата становить звичайно 50 - 75% повної витрати.

Як приклад розглянемо парову турбіну високого тиску із дросельним клапаном (мал. 1.13). У загальному випадку тиск р, на вході в турбіну прямо пропорційно витраті водяної пари, а тиск р о перед дросельним клапаном підтримується постійним системою регулювання парового казана. Для типових умов на тепловій електростанції - тиску перед дросельним клапаном 16,7 МПа й температурі 540°С - тиск на вході в турбіну при повній номінальній витраті становить 11,3 МПа. У табл. 1.8 показане зростання ентропії на вході в турбіну в міру зниження відносної витрати водяної пари при закриванні дроселя. Якщо помножити втрати розташовуваної роботи То Д5 • доводяться на 1 кг водяної пари, що рухається, на відносну витрату, то в результаті одержимо втрати роботи, віднесені до витрати Рм при повнім навантаженні. Множачи їх на повне номінальне навантаження енергоустановки в кг/з, можна оцінити загублену потужність у кВт. Помітимо, що крива втрат

Рис. 1.13. Дросельний клапан зменшує розташовувану роботу, що надходить до турбіни.

Таблиця 1,8

Втрати розташовуваної роботи, що втримується у водяній парі, залежно від витрати через турбіну

потужності проходить через максимум поблизу крапки, що відповідає навантаженню 60%.

Аналогічне співвідношення можна вивести для систем, що працюють краплинних рідинах, скориставшись отриманими раніше ви— печіннями. Дозволивши вираження (1.47) відносно і помноживши на F, одержимо загублену потужність. Цю потужність можна нормувати, відносячи її до добутку максимальної витрати на максимальний перепад тиску:

Результати розрахунку по формулі (1.52) представлені на мал. 1.14. Тут знову криві втрати потужності проходять через максимум при відносній витраті, що небагато перевищує 50%.

Щоб зменшити втрати потужності, необхідно звести дроселювання до мінімуму. Для цього потрібно, щоб клапани працювали або в закритому, або в повністю відкритому положенні. Тому що при закритих клапанах працювати не можна, установка повинна працювати в умовах, коли всі клапани відкриті. Але при такому режимі повністю відсутнє регулювання. Компромісні схеми регулювання повинні бути розраховані таким чином, щоб більшість клапанів працювалася майже

в повністю відкритому положенні, але при цьому повинні існувати деякі граничні можливості регулювання. У випадку парової турбіни працюючої при зниженому навантаженні й відкритому дросельному клапані, тиск у паровому казані не повинне підтримуватися постійним, а повинне змінюватися залежно від навантаження. Такий режим роботи, названий роботою з ковзним тиском, дозволить заощадити значна кількість енергії в установках, що працюють на водяній парі, і він застосовний також і до інших робочих процесів. Цей режим уже був використаний при регулюванні дистиляційних колон [9].

У наступних главах розглядається настроювання кожного регулювального клапана, що дозволяє визначити, чи можна збільшити.

Рис. 1.14. У системі, що працює на краплинній рідині, максимальні втрати потужності на регулювальному клапані змінюються залежно від заданого перепаду тиску на ньому.

ступінь його відкриття, не втративши можливості регулювання всієї установки. Іноді це можна здійснити за допомогою одного контуру регулювання, але в більшості випадків потрібно погодивши робота декількох контурів. У всякому разі, насамперед потрібно задовольнити вимоги технологічного процесу до регулювання якісних і кількісних параметрів.