КУРС ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АРМАТУРНОГО ХОЗЯЙСТВА

2.2.3.       Напорный ящик. Напорный ящик следует выделить отдельно. Он является последним и самым важным технологическим элементом, после которого регулирование массы как таковой уже становится невозможно. Одним из важных критических контуров регулирования в нем является узел деаэрации, из-за возможности вскипания или вспенивания массы и ухудшения качества подготовленной массы в целом. Там должен использоваться специальный клапан с элементом Q-TRIM. Не менее важным является и узел машинной сортировки, технологически связанный с напорным ящиком. В нем все элементы, соприкасающиеся с массой должны в минимальной степени способствовать образованию узелков, сгустков, схватыванию фибрилл и др. Для этих целей используется специальная поворотная заслонка с полированной поверхностью. Как видно, не все контуры должны обладать высокой точностью. Приведенный пример показывает, что и сам клапан должен претерпевать значительные изменения для соответствия своей роли в технологическом процессе.

2.2.4.       Контур регулирования веса м2. Без сомнения этот контур является ведущим и наиболее критическим контуром регулирования в бумагоделательном производстве. Он обладает наиболее совершенным клапаном, с минимальным гистерезисом, мертвой зоной, минимальными люфтами, собственной диагностикой и, в итоге, наиболее высокой точностью регулирования. Этот узел и дальше будет развиваться, специализируясь в основном только на повышении точности регулирования, повышении степени откликаемости, чтобы снимать и такие сложные виды отклонений как динамические, включая и пульсации.

2.2.5.      Узел осветленной воды. Пример многих фабрик показывает, что при низких концентрациях воды даже небольшие отклонения приводят к значительной колебательности расхода. В качестве примера можно привести опыт канадской фабрики, где сначала на этом узле стоял клапан с погрешностью регулирования 0,8%. И это было бы нормально для обычного контура регулирования, но только не для узла осветленной воды. При таком значении погрешности изменения в расходе осветленной воды, возвращаемой на напорный ящик, была чрезвычайно высока и качественно регулировать вес м2 не удавалось из-за резких изменений параметров и непредсказуемой колебательности. Решением стало снижение погрешности до 0,3%. В результате отклонения в сопряженных контурах не выходили за пределы допуска технологического регламента. В него были внесены соответствующие изменения, установленное значение для этого контура регулирования составило менее 0,3%, что обеспечило хорошую и стабильную управляемость процесса.

2.2.6.      Пароконденсатная система. В досушивающей секции разница в колебательности давления составляет до 15-30 кПа, наиболее характерных в ЦБП, при этом разбег температур на полотне может составлять до 100С. Точные клапаны смогут снизить этот разбег до 2 кПа, а разницу температур свести к минимуму. Результатом будут наиболее низкие значения разбега влажности, более высокое качество полотна, минимальные обрывы по причине переувлажненности, отсутствие коробления, лучшая наматываемость, стабильность реза на ПРС и пр. Другим примером является следующий. При подаче пара с конденсатом, который может достигать до 5% в паре, из-за падения давления в несовершенных клапанах может происходить вскипание пара из конденсата. Из-за значительной разницы в объеме между паром и водой, которая в сотни раз превышает плотность и объем воды, регулировать расход и давление пара – основные параметры регулирования температуры сушки, становится затруднительно. В конденсатных системах контуры, ответственные за перекачку и поддержание расхода и давления характеристик конденсата также являются важными, поскольку пар вторичного вскипания, образующийся в конденсатных системах из–за вскипания, резко меняет характеристики расхода и показатели регулирования.

2.3.      По взаимосвязанности и влиянию контуров. Примеры. Главный паровой клапан. «Танцующие сопряженные контура».

2.4.      По надежности. Надежность выполнения требований технологии часто становятся основным критерием к работе контуров и узлов регулирования. На опасных участках технологического процесса требования к надежности еще более повышаются и, соответственно транслируются и в трубопроводную арматуру. Такие показатели соблюдения уровня промышленной безопасности как SIL, MTBF, предъявляемые к регулирующим клапанам и клапанам с автоматическим управлением должны гарантировать, что процесс не выйдет из под контроля и будет безопасным. Расчет вероятности отказов для таких клапанов становится наиболее важным критерием для их включения в соответствующий контур управления. Примерами таких контуров являются:

– участки повышенной пульсации, гидравлических ударов;

– участки вероятной кавитации и эрозии и вибрации. В частности, преимущественной тенденцией развития арматуры для таких контуров является включение в спецификации клапанов повышенной компактности, низкой виброактивности для участков с повышенной вибрацией. В ряде случаев их рассчитывают на сейсмостойкость.

2.5.      По специализированности контура. Примеры специализированных контуров показаны ниже:

– шаровая крышка,

– керамический клапан для подачи химикатов,

– клапаны для условий высокой цикличности,

– специальные клапаны для специальных сред,

– клапаны повышенной жесткости для условий высокой пульсации после насосов,

– клапан POCKET FEEDER для вывода отходов из грязевиков вихревых очистителей песочниц.

Для определения степени критичности контура проводятся расчеты по специальным методикам. Такие методики разрабатываются в ВШТЭ.

Компании предлагают свои часто неэффективные решения для таких контуров. В ответ на это заказчики требуют пилотной эксплуатации, по результатам которой только и готовы принять решение о приобретении. ЭОднако, при хорошем знании референцев эксплуатации можно сказать, что в ЦБП сложилась устойивая тенденция выбора наиболее эффективных решений для клапанов и арматуры. К таким решениям можно отнести выбор сегментных клапанов, цифровых позиционеров. мембранных приводов, антикавитационных элементов Q-TRIM, полевых шин PROFIBUS и FOUNDATION FIELD BUS.

Экономическая эффективность от применения специальных решений для критических контуров регулирования

Достижение экономической эффективности и умение считать экономическую эффективность является одной из важных проблем при доказательстве правоты решений по установке эффективных клапанов. Однако, существуют доказанные пример, показывающие как совершенная арматура позволяет улучшить качество регулирования в критических контурах. Примеры компании Метсо автоматизация приведены ниже.

1. Клапан веса м2. Достигается значительное повышение качества регулирования при использовании клапана регулирования веса м2 NELES ACE.

2. Узел осветленной воды. Замена обычного клапана на клапан подачи осветленной воды на разбавление на сегментный клапан способно снизить разброс с 0,8% до 0,3%.

3. Пароконденсатная система. Замена седельных клапанов на поворотные типа NELES ROTARY GLOBE улучшает выполнение условий точности регулирования по критичной для регулирования двухфазной среде.

4. Узел дозирования химикатов. Замена аналоговых позиционеров на цифровые и керамические клапаны для абразивных сред узла подачи химикатов и подготовки композиции снижает погрешность регулирования до 40-60% и сокращает затраты на сырье в суммах, выражаемых пятизначными цифрами.

5. Узлы циркуляционных схем. Основная проблема циркуляционных схем связана с их "отравлением" и загрязнениями. Примеры: гипсация, накопление отходов, налипание и др. Здесь эффективны клапаны с шабрирующими седлами и специальными посадками седел.

Перспективы использования клапанов в критических контурах регулирования

Основным вектором развития клапанов для критических контуров регулирования является разделение направления регулирования на клапаны в составе измерительных контуров и клапаны в составе элемента технологического процесса.

Клапаны в составе измерительного комплекса, как правило, отвечают следующим требованиям:

– Сочетание характеристик клапана с измерительным прибором в составе контура регулирования.

– Выделение специализированных и критических контуров регулирования.

– Автоповерка на эффективность регулирования по заданным технологическим параметрам в составе систем автоматизации.

– Создание информационно-измерительных комплексов с разработкой математического обеспечения, способного прогнозировать изменение процесса или погрешности. Пример – уже упоминавшийся нами клапан веса метра квадратного, имеющего специальную встроенную программу для устранения перерегулирования.

Клапаны в составе элемента технологического процесса и клапанного хозяйства имеют следующие тенденции развития:

– Усложнение клапанов и внедрение клапанных узлов.

– Повышение надежности клапанов.

– Интеллектуализация клапанов.

– Интегрирование клапанов в систему автоматизации.

– Снижение издержек за счет развития сервисного обслуживания.

В блок-вставке ниже мы приводим пример определения критических контуров регулирования ТЭС и показываем, как компания Метсо Автоматизация, пользуясь этим подходом, сумела предложить наиболее подходящие клапаны для критичных условий эксплуатации и регулирования.

БЛОК-ВСТАВКА

КРИТИЧЕСКИЕ КОНТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЭС. ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ NELES JAMESBURY В КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЭС.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЭС

Цель работы ТЭС – отпуск теплового агента в виде пара или горячей воды с определенными параметрами расхода, температуры и обеспечение тепловодяного баланса. Дополнительными требованиями являются само качество воды, степень ее жесткости и насыщенность неконденсирующимися газами.

В работе ТЭС возникает множество возмущающих воздействий, от изменения погодных условий при работе на обогрев, до особенностей изменения работы теплопотребляющих агрегатов. Основными показателями, характеризующими технологический режим ТЭС, являются температура Т, напор, Н и расход Q теплового агента. Основным оборудованием с точки зрения регулирования являются:

– котлы, иногда их может быть несколько, работающих параллельно;

– сетевые насосы, обеспечивающие циркуляцию теплового агента;

– рециркуляционные насосы в линии рециркуляции воды от выхода с котлов на их вход;

– регулирующий клапан линии перепуска, подающий воду с выхода сетевых насосов непосредственно в напорный трубопровод с предварительным смешиванием с горячей водой после котлов;

– регулирующий клапан линии рециркуляции;

– насос подпитки в линии подпитки, обеспечивающий стабильное давление в обратном трубопроводе путем восполнения потерь теплового агента за счет подачи деаэрированной воды;

Дополнительными контурами являются контуры химводоочистки и водоподготовки, деаэрирования, подачи реагентов, удаления стоков, золоудаления, мазута и др.

Основных задач регулирования – две. Это регулирование выходных параметров пара и воды для потребителей и регулирование собственного тепловодяного баланса ТЭС.

Для решения первой задачи регулируются выходные параметры – Твых, Нвых, Qвых, в обратном трубопроводе Тобр, Нобр, Qобр.

Для решения второй задачи регулирования и обеспечения тепловодяного баланса регулируют следующие параметры:

Qк – расход воды через включенные котлы, что обеспечивает допустимый диапазон расходов через них.

Твх – температуру воды на входе в котлы с целью предотвращения образования конденсата на наружных поверхностях водяных труб внутри топок, так как конденсат является агрессивным.

Нобр – давление воды в обратном трубопроводе.

Структура контура регулирования может зависеть как от структуры самого объекта, так и от требований, предъявляемых к быстродействию в переходных режимах и точности в статических режимах.

В тоже время технологическую схему ТЭС можно представить в виде взаимосвязанных локальных контуров регулирования, где объект регулирования представляется апериодическим звеном со значительной нелинейностью и большими постоянными времени.

1. Контур регулирования температуры в напорном трубопроводе ТЭС

Контур регулирования температуры в напорном трубопроводе ТЭС включает в себя котел, коэффициент передачи которого по нагреву и постоянным времени являются переменными величинами, поскольку при разном числе параллельно работающих котлов температура в общем выходном коллекторе котлов Тк изменяется непропорционально управляющему воздействию. Например, при одном котле ПТВМ 50 включение одной горелки увеличивает Тк примерно на 4оС с общим временем регулирования 4-5 мин, а при двух котлах – на значительно меньшее значение за счет большего суммарного расхода воды в общем коллекторе.

Результирующая температура воды в сети Тс зависит от долевых значений расходов воды после котла Тк и обратной воды Тобр. Дополнительно учитывается функция смешения потоков воды, определяющая изменение температуры на разнице температур в обратном трубопроводе. В общем случае, она должна отражать также колебательность в упругой среде. Для датчика температуры главным фактором служит его собственная постоянная времени Тдат, составляющая до 10 сек.

Нагрузка ТЭС от теплопотребляющих агрегатов может быть описана передаточной функцией охлаждения теплового агента. Она также нелинейна, если за возмущающее воздействие принять изменение температуры в теплопотребляющем агрегате и расход теплового агента, зависящий от Тнагр и расхода. Постоянную времени охлаждения Тохл можно ориентировочно принимать 10-40 мин, но в каждом конкретном случае она зависит от протяженности и конфигурации теплопотребления и расхода теплового агента.

2. Контур регулирования напора на выходе с ТЭС

Контур регулирования напора Нвых можно представить в виде двух апериодических звеньев – сетевого насоса и гидравлических сопротивлений котлов и параллельной им линии перепуска. Обе передаточные функции будут нелинейны. Функции содержат квадратичную зависимость напора от частоты вращения. Постоянная времени Т определяется технологическими требованиями из условия плавного регулирования, ее значение составляет до 5 сек. Функция гидросопротивления нелинейна вследствие изменяющегося сопротивления в зависимости от угла открытия клапана линии перепуска. Динамические процессы узла смешения характеризуются очень малыми постоянными времени сжатия жидкой среды, и по сравнению с другими показателями регулирования при синтезе регуляторов ими можно пренебречь, т.е. считать функцию пропорциональной.

3. Контур регулирования давления в обратном трубопроводе

Контур предназначен для восполнения утечек теплового агента (подпитки сети). Его передаточная функция по управляющему воздействию нелинейна по той же причине, что и для сетевого насоса – вследствие квадратичной взаимозависимости напора и частоты вращения электропривода. Коэффициент передачи Кобр также зависит от температуры, влияющей на давление в замкнутом трубопроводе с постоянным объемом воды. Возмущающим воздействием на Нобр является также давление в напорном трубопроводе Н.

В стационарном режиме внешние возмущающие воздействия приводят к медленным процессам изменения давления, длительность которых измеряется минутами.

4. Контур регулирования температуры воды на входе в котлы

Передаточные функции этого контура отражают гидравлические процессы в узле соединения трубопроводов. Расход в линии рециркуляции Qрец и разность напоров Нрец и Нс связаны нелинейной функцией Фгидр, содержащей изменяющееся общее гидравлическое сопротивление параллельно включаемых котлов. В общем случае эта функция – колебательная с быстрым затуханием процесса.

Температура воды на входе в котлы Твх является функцией смешения двух потоков жидкости с разной температурой. Функция смешения одновременно зависит и от объемов потоков, и от изменяющихся независимо одна от другой их температур Тк и Тобр, что свидетельствует о неопределенной нелинейности. Как и в случае измерения температуры сетевой воды, постоянной времени, наиболее влияющей на процесс регулирования, является постоянная датчика температуры, составляющая примерно 10 сек.

Исполнительным механизмом служит рециркуляционный насос с регулирующим клапаном (или регулируемым электроприводом), являющийся апериодическим звеном с постоянной времени примерно 3-5 сек, устанавливаемой преднамеренно для исключения резких изменений суммы расходов Q.

5. Контур регулирования расхода воды через котлы

Контур включает в себя регулирующий клапан с нелинейной функцией, определяющей расход в зависимости от угла открытия и перепада давления на его входе и выходе, определяемой из паспортных характеристик, а также функцией интегрирования угла открытия по управляющему воздействию. Как правило, длительность полного открытия клапана составляет примерно 63 сек, т.е. постоянная времени составляет примерно 20 сек. Именно эта постоянная является определяющей и учитывается при построении системы регулирования. Для обеспечения устойчивости и исключения колебательности внешнего контура необходимо встраивать внутренний контур регулирования угла открытия клапана со своей передаточной функцией Фрег.

Из анализа следует, что все объекты локальных контуров связаны между собой и являются нелинейными, а постоянные времени передаточных функций некоторых из них определяются собственными постоянными времени исполнительных механизмов.

Зачастую трудно определить прямые показатели состояния теплопотребляющих объектов, пригодных для задачи регулирования выходных показателей регулирования ТЭС. Тем не менее, можно принять, что наиболее приемлемым способом регулирования будет упреждающее изменение выходных показателей ТЭС.

Обычно для регулирования применяют изменение числа включенных горелок, котлов, сетевых насосов. Вследствие нелинейности объекта регулирования и значительных постоянных времени апериодических звеньев такой способ на практике реализуется с помощью режимных карт и температурных графиков, составленных на основе опыта многолетней эксплуатации.

6. Контур регулирования температуры сетевой воды

При построении САУ температуры сетевой воды используется проверенный практикой способ управления – задание на температуру формируется по основному возмущающему воздействию Твозм и линеаризованному температурному графику, заложенному в АСУ ТП.

7. Контур регулирования давления воды в напорном трубопроводе

Контур предназначен для стабилизации напора Нс независимо от расхода в теплопотребляющем агрегате, температуры или других характеристик. При этом необходима стабилизация перепада давления в напорном и обратном трубопроводе, но давление в обратном трубопроводе стабилизируется самостоятельным контуром регулирования, поэтому, с целью исключения колебательности, целесообразно осуществлять регулирование по величине Нс.

В процессе работы ТЭС формируется практически стационарный процесс с медленно изменяющимися характеристиками, поэтому требование быстродействия пока не учитывается (за исключением устройств аварийной отсечки). Инструкциями по эксплуатации рекомендуется плавное, пошаговое воздействие на регулируемые показатели с визуальным контролем результатов. Это обусловлено как динамическими качествами запорно-регулирующей арматуры, полное время изменения состояния которой по критерию «открыто-закрыто» составляет десятки секунд, так и порядком ввода в работу насосного оборудования – пуск на закрытую задвижку и последующее ее открытие.

К контурам и системе регулирования в целом дополнительно предъявляются следующие требования:

– Отработка управляющих и возмущающих воздействий без перерегулирования и отсутствия колебаний или при быстром их затухании.

– Окончание колебательного процесса с установлением новых заданных показателей за время, удобное для визуального контроля (до 5 мин).

В этих условиях передаточной функцией обычно выбирают для регуляторов всех контуров регулирования пропорционально-интегрирующее или интегрирующее звено, с предпочтением интегрирующему звену, поскольку нет необходимости в компенсации постоянных времени объекта регулирования. Регулирование без статической ошибки является важным условием функционирования теплопотребляющих агрегатов. При наладке регуляторов и выборе параметров регуляторов ориентируются на наибольшую постоянную времени объекта в контуре регулирования.

ПОРЯДОК ВЫБОРА КЛАПАНОВ NELES JAMESBURY

Выбор клапанов основывается на анализе критических контуров регулирования в соответствии с технологической схемой и проводится в следующей последовательности:

1.      По результатам анализа технологической схемы выделяются контуры, где небольшие изменения параметров на входе приводят к непропорционально большому или малому изменению параметров на выходе. Эти контуры рассматриваются отдельно, и для них производится специальный выбор клапанов, способных работать в таких условиях.

2.      Клапаны для этих контуров рассчитываются по специализированной программе расчета NELPROF.

3.      Далее проводится их оптимизация для конкретных контуров регулирования в соответствии с особенностями работы контура и заданием от системы АСУ ТП.

4.       Важное значение в повышении точности регулирования в настоящее время играют смарт позиционеры. Однако, их внедрение на предприятиях отрасли недостаточно. Причины этого рассмотрены в блок-вставке.

БЛОК-ВСТАВКА

ТИПОВЫЕ ПРИЧИНЫ ПЛОХОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОЗИЦИОНЕРОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ РФ

Механические\электрические дефекты, указанные в инструкции.

1.      Изменение контрольной точки положения клапана не влияет на положение привода

1.1.      слишком низкое давление питания

1.2.      золотник заедает

1.3.      неправильные параметры настройки

1.4.      привод и\или клапан заклинивает

1.5.      провода сигнала подсоединены неправильно, на дисплее нет значения

1.6.      платы управления повреждены

1.7.      не проведены калибровка и настройка

1.8.      контроллер работает в ручном режиме

1.9.      блок предварительного регулирования неисправен

1.10.      контроллер находится в режиме защиты от сбоев.

2. Привод переходит в крайнее положение при незначительном изменении входного сигнала

2.1.      пневмотрубки между контроллером и приводом неправильно соединены

2.2.      неправильно установлены параметры PFR и ROT

3. Неточное положение

3.1.      узел золотника загрязнился

3.2.      слишком высокая нагрузка привода

3.3.      давление питания слишком низкое

3.4.      сенсоры давления или золотник повреждены

3.5.      протечка привода

4. Режим автоколебания или замедленное реагирование

4.1.      измените параметр PEFR

4.2.      узел золотника загрязнился

4.3.      диаметр пневмотрубки слишком мал или загрязнен воздушный фильтр

4.4.      клапан заклинивает

4.5.      проверьте, нет ли протечки у трубок между контроллером и приводом

4.6.      проверьте, нет ли протечки в винтах ограничения хода привода

5. Ошибка при калибровке хода клапана

5.1.      контроллер работает в ручном режиме (MAN)

5.2.      проверьте, что соединение оси выравнено по указателю

5.3.      неправильно установлены параметры PFR и ROT

5.4.      привод и клапан не двигается или заел в ходе калибровки

5.5.      слишком низкое давление питания

5.6.      узел золотника загрязнился.

6. Типичные причины плохой работоспособности цифровых позиционеров Метсо на предприятиях отрасли в РФ.

6.1.      Недостаточное качество воздуха по влажности, загрязненности маслами, запыленностью, наличию в воздухе абразивных частиц, наличие коррозионной среды в воздухе, способствующее окислению.

6.2.      Неправильная калибровка и связанные с этим проблемы закрытия клапана при сбое позиционера. Например, в ходе анализа работы позиционеров на ряде предприятий, была обнаружена следующая ситуация: Позиционер ND9000 накапливал ошибки во внутренней памяти и при переполнении количества ошибок просто останавливал свою работу, перекрывая поток среды.

6.3.      Нестабильность регулирования и плавание коэффициентов усиления из-за недостаточной настройки позиционеров и качества обслуживания.

6.4.      Плавание давления в сети инструментального воздуха, превышение или понижение допустимого уровня давления для работы позиционера.

6.5.      Пробой электронных плат в связи с наличием сернистых соединений в воздухе, осаждения на электронных компонентах и их разъедания.

6.6.      Неудовлетворительное качество трубопроводов КИП и А, в частности использование обычных трубопроводов из углеродистой стали, некоррозионностойких и склонных к образованию ржавчины вместо трубопроводов из нержавеющей стали.