Станислав Горобченко
Курс "Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры"

Обзор курса

Курс ИНЖЕНЕР ПО РАСЧЕТУ И ВЫБОРУ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ содержит материалы, необходимые для работы инженера по расчету и выбору регулирующей арматуры, и работающего в области подготовки проектных предложений и выполнения проектов по поставкам трубопроводной арматуры.

Приводимые материалы основаны на практическом опыте инженеров по расчетчиков и проектных инженеров арматурных компаний и компаний по продаже промышленного оборудования.

Курс предназначен для слушателей дистанционных курсов, в т.ч.: "Трубопроводная арматура", Менеджер по продажам трубопроводной арматуры", "Менеджер по продажам промышленного оборудования и компонентов".

Компоновка материалов выполнена в формате электронного учебника и создает возможности обучения в любое время в любом месте при наличии любого гаджета (компьютера, ноутбука, планшета, смарт, айфона или букридера). Текст и графика будут отражаться так, как нужно Вам для комфортного чтения.

В тексте принято логическое деление в противовес традиционному поабзацному, что позволяет слушателям лучше осваивать материал, делать пометки и пр.

КУРС ИНЖЕНЕР ПО РАСЧЕТУ И ВЫБОРУ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

В курсе рассматриваются особенности работы инженеров по расчту и выбору арматуры. Демонстрируются современные процедуры работы над проектными предложениями и особенности разработки проектных спецификаций для достижения наиболее высокой конкурентоспособности. Курс разработан на основе практики работы современных промышленных компаний и снабжен множеством примеров, кейсов и практических форм, применимых к повседневной работе инженеров-расчетчиков.

ЗАЧЕМ НУЖЕН ТАКОЙ КУРС?

Работа над проектными предложениями является основной задачей и обязанностью инженера-расчетчика и инженера по технической поддержке продаж. Если клиент собирается заказать Вам поставку оборудования в проект, он будет ожидать, что Вы обладаете знаниями по расчету и выбору арматуры, разбираетесь в особенностях проведения проектов, а также, что Вы способны разработать проектную спецификацию и выполнить проектную поставку в срок. Вам неоднократно придется учитывать новые замечания, комментарии и проводить ревизии проектных предложений. Но если Вы не сможете удовлетворить требования по выполнению проектных предложений, то, скорее всего, клиент оценит Вас как неподходящего специалиста или компанию. Из-за трудностей в понимании того, как проводятся проекты и как надо работать над проектными предложениями, сорвался не один контракт по проектным поставкам, в т.ч. и арматуры.

В этом курсе мы рассмотрим работу инженера-расчетчика, владеющего современными знаниями расчетов регулирующей арматуры, проведении проектов в области трубопроводной арматуры и способного выполнять качественные проектные спецификации. Мы искреннее надеемся, что Вы будете способны использовать эту информацию в качестве руководства, которое поможет вашему отделу или компании стать значительно более надежным при работе с клиентами и приносящим выгоду вашей компании.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Курс содержит материалы по организации работы инженера по расчету регулирующей арматуры, работающего в области подготовки проектных предложений и выполнения проектов.

Курс представлен 7 модулями, содержит более 300 стр. текста, более 200 иллюстраций, рисунков и рабочих таблиц. По каждому модулю представлены кейсы и практические примеры использования представленных моделей и концепций. В курсе демонстрируются методы работы инженера и современные подходы к организации его работы в расчетных программах и информационных платформах.

КАК БУДЕТ ПРОХОДИТЬ ОБУЧЕНИЕ

В рамках курса слушатели самостоятельно изучают учебно-методическое пособие и стремятся применить учебные материалы в своей практике и профессиональной деятельности. Мы обеспечиваем тьюторскую поддержку (поддержка самообучения слушателей со стороны преподавателей-консультантов) в обучении на основе специально разработанных учебников. Используются специальные методы организации учебного материала, основанные на дистанционных способах обучения.

Результатом обучения являются практические работы из области профессиональной деятельности, которые могут быть согласованы с руководством, и в дальнейшем могут служить основой для развития системы управления знаниями в компании.

ПРОГРАММА КУРСА

МОДУЛЬ 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ И ВЫБОРУ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

Современные средства расчета регулирующей арматуры и приводов

Вариабельность процесса

Кавитационные повреждения в регулирующей арматуре

Почему клапаны с собственной равнопроцентной характеристикой имеют линейную характеристику в трубопроводе?

Подходы к эффективному подбору номинального диаметра регулирующей арматуры

Установленное усиление как критерий настройки регулирующей арматуры

МОДУЛЬ 2. ТРЕБОВАНИЯ К РАСЧЕТАМ И ВЫБОРУ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

Надежный расчет арматуры

Ключевые показатели эффективности расчетов

Расчет и выбор арматуры по критерию качества регулирования по критерию качества регулирования

Расчет и выбор арматуры по критерию надежности регулирования

Расчет и выбор арматуры по критерию энергоэффективности

МОДУЛЬ 3. ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

Обзор программ расчета и выбора арматуры

Программа Nelprof

Основные положения

Программа Nelprof шаг за шагом

Дерево проектов

Определение размеров клапанов и анализ

Пользовательские установки

Файловые функции

Инструменты

КЕЙС. Программа перерасчета арматуры на новые условия производства

МОДУЛЬ 4. ПОДГОТОВКА ПРОЕКТНЫХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ И СПЕЦИФИКАЦИЙ

Основные положения при подготовке проектных предложений и спецификаций

Инструментарий работы инженера по расчету и выбору арматуры

Организация работы проектных отделов

МОДУЛЬ 5. ПРАКТИКА РАСЧЕТА И ВЫБОРА РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ

Выбор конструктивных решений в компании Метсо Автоматизация

КЕЙС. Разработка продуктовой стратегии на этапе ведения предложения по проекту строительства завода СПГ

Расчет и применение регулирующих органов в АСУТП, применяемых в компании GE

КЕЙС. Бюджетные ограничения при выборе регулирующих клапанов

КЕЙС. Разработка продуктовой стратегии компании Metso

МОДУЛЬ 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

Регулирующий клапан как мехатронная система

Моделирование поведения регулирующих клапанов

Моделирование регулирующих клапанов с электрическим исполнительным механизмом

Моделирование регулирующих клапанов с пневмоприводом

МОДУЛЬ 7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАСЧЕТНЫХ ПРОГРАММ

Современное программное обеспечение для регулирующей арматуры

Линии развития расчетных программ

КЕЙС. О необходимости технологической поверки клапанов

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

1. Рефераты по проблемам расчетов регулирующей арматуры и подготовки проектных предложений компании на основе практического применения представленных моделей

2. Литературные обзоры по проблемам, важным для практической деятельности компании

3. Курсовые работы по выбранным темам на основе согласования с руководством компании

4. Другие работы (эссе, глоссарии, вопросники, шаблоны докладов, презентаций и пр.), важных для формирования знаний компании

5. Выполнение проектных спецификаций

6. Тесты (при необходимости).

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

1. Учебно-курсовое пособие

2. Учебно-методический комплекс по самообучению и формированию групп самопомощи

3. Тьюторская поддержка

КАК ПОДТВЕРДИТЬ СВОЮ КВАЛИФИКАЦИЮ?

Для этого нужно выполнить ряд заданий и контрольных работ. Они выполняются на основе высылаемого Вам учебно-методического пособия и маршрутной карты. В случае положительного заключения Вы получите удостоверение о повышении квалификации государственного образца.

Для этого Вам потребуется

1. Подать заявку

2. Заключить договор на обучение и тьюторское сопровождение

3. Получить материалы учебно-методического комплекса по самостоятельной работе над материалами курса

3. Выполнить задания курса по согласованной маршрутной карте

4. В случае набора более 40 баллов Вы имеете право на получение удостоверения о повышении квалификации.

За подробностями обращайтесь к автору курса Горобченко Станиславу Львовичу valvepromconsult@bk.ru

Введение и задачи курса

Работа с программами расчета арматуры является непременным условием становления специалиста в области исполнительных устройств АСУ ТП. Курс имеет своей целью ознакомить слушателей с основами работы в наиболее известных программах расчета и выбора исполнительных устройств, обучить принципам их применения в профессиональной деятельности специалистов.

Программы расчета являются базовыми для многих специалистов, которые работают в области эксплуатации, расчета и продвижения трубопроводной арматуры и проектов АСУ ТП. В частности, это инженеры-расчетчики, коммерческие инженеры, специалисты проектных групп, сервисные инженеры и даже менеджеры по проектным продажам. Все они используют расчетные программы для расчета, предварительного выбора, перепроверки решений, оптимизации предлагаемых решений на критичных участках и пр.

В курсе рассматривается одна из наиболее известных и применяемых в ЦБП программа Nelprof. В практическом аспекте в результате освоения работы с программой слушатели должны:

– уверенно работать в качестве пользователя программы, создавать проекты и вести базы данных в программе;

– уметь работать как с общими средами, такими как вода, воздух и пар, так и с разнообразными технологическими средами ЦБП, химии, нефтехимии, нефтепереработки, криогеники, предлагаемыми программой;

– иметь навыки работы с выбором и расчетом разных типов арматуры и приводов, предлагаемых программой;

– владеть основами использования многих подпрограмм и умелого формирования выпускных документов, таких как листы расчетов, утверждаемых в проектных спецификациях и являющихся основным техническим документом договорных отношений между поставщиками и потребителями арматуры.

Содержание учебного пособия соответствует требованиям к обучению специалистов постдипломного обучения по курсу "Трубопроводная арматура". Для успешного обучения слушатель должен владеть знаниями в области гидравлики процессов регулирования, основными представлениями о типах регулирующей и запорной арматуры, основными методиками проведения анализа арматуры на способность к регулированию.

Тематические разделы построены таким образом, чтобы дать слушателям полноценное представление о состоянии способов проведения расчетов и особенностей проведения расчетов в программных средах. Вы узнаете о современных способах расчетов, основных программах расчета, получите представление о месте расчета и выбора регулирующей арматуры в работе инженера по расчету и выбору регулирующей арматуры.

Примеры и кейсы призваны помочь в освоении знаний по представленному курсу. Вы сможете применить основные идеи и концепции курса для формирования своих решений и обобщений в контексте вашей профессиональной деятельности. В конце пособия мы рассмотрим, какие проблемы стоят перед расчетчиками, как будут развиваться программы расчета и программное обеспечение для расчета и выбора арматуры, и как вы могли бы далее самостоятельно развиваться как специалист в области профессиональных расчетов арматуры.

А сейчас давайте посмотрим на то, какие проблемы, как правило, стоят перед инженерами по расчету, см. кейс.

Кейс. Проблемы расчетов и расчетчиков проектных спецификаций арматуры. Взгляд со стороны руководителя

ЗАЧЕМ НАМ НУЖНЫ РАСЧЕТЫ?

Все компании, поставляющие трубопроводную арматуру, должны проводить расчеты арматуры и подтверждать свой выбор перед надзорными органами. Зачастую расчетные листы арматуры являются обязательным приложением к контракту на поставку арматуры. Невыполнение этих условий и необоснованность выбора арматуры может повлечь за собой тяжкие последствия, связанные с тяжелыми авариями на производстве и даже гибель обслуживающего персонала.

Проектные группы арматурных компаний подключаются к работе по расчету на этапе выбора арматуры по существующим опросным листам, разрабатывают технико-коммерческое предложение и представляют его клиенту. В работе расчетчика, специалиста по выбору арматуры или коммерческого инженера проектной группы существует много сложностей, связанных с текучкой, невозможностью глубоко изучить потребность и обосновать предлагаемые решения для конкретного клиента. Предлагаемые решения могут быть недостаточно обоснованы, слишком общими или стандартными. Такие предложения не несут достаточной потребительской ценности для клиента. При этом существует явная необходимость в том, чтобы снизить трудоемкость и рутинность работ по проведению расчетных работ. Общая схема работ по подготовке предложений показана на рис. 1.

Рис. 1. Потоковая модель расчетных работ и инжиниринга в арматурной компании

ПОЧЕМУ НАМ ПРИХОДИТСЯ ОТКАЗЫВАТЬСЯ ОТ ПРОЕКТОВ?

Не слишком ли часто приходится слышать от проектной группы, что "мы не успеваем", что "это не наш профиль", что "нам нужна дополнительная помощь" от отделов расчета арматуры, отделов подготовки спецификаций арматуры и проектных групп. Всех их объединяет одно – они ответственны за подготовку проектных спецификаций трубопроводной арматуры, за качество расчетов, ведение проектов и действительно часто нуждаются в дополнительных силах.

Однако, равняясь на слова сотрудников этих отделов, приходится многие перспективные проекты перекладывать в корзину, поскольку ими якобы "некому заниматься" или же это "неперспективно для нас" и "мы сработаем в мусорную корзину". Примерно так отвечают проектные группы и группы по подготовке проектных спецификаций менеджерам по продажам. Главным основанием для такого ответа служит, кроме указанного, невозможность в отведенные сроки быстро и качественно выполнить большой объем работы, связанной с расчетами арматуры.

В словах специалистов проектной группы или коммерческих инженеров есть большая доля правды. Их деятельность оправдана тем, что здесь затрачивается большая доля интеллектуального труда, или, говоря языком бизнеса, носителей интеллектуального капитала и знаний компании. Однако вряд ли это будет убедительно для акционеров или руководства компании, которым при всех усилиях не удается выйти на требуемую, и, как правило, достижимую долю рынка, поскольку узкое место "почему-то не расшивается".

Наиболее часто проектные группы в арматурных компаниях являются "сливками общества" и требуют для себя специальных условий, сами выбирают, каким проектом им заниматься и каким нет, обосновывая это тем, что "стоимость ошибки будет слишком высока" или "мы потеряем слишком много времени", если таковых условий не будет создано. Менеджер по продажам, потративший массу сил для завоевания нового клиента, приходя в проектные группы, получает простой ответ "НЕТ".

Таким образом, новые запросы, имеющие все шансы перерасти в заказы, выбрасываются, поскольку "пролезть через узкое бутылочное горлышко" проектной группы они не могут. Руководство при этом, боясь ошибок, или не имея возможности управлять проектной группой, обрушивает свой гнев на менеджеров по продажам, не способных найти соответствующий заказ, грозя им увольнением. Замкнутый круг, не так ли?

Для организации проектных групп приходится нанимать высококлассных специалистов, которые, как правило, не совсем рады рутинной работе и потому также стремятся избавить себя от работы, по их мнению, в "мусорную корзину".

Добавим, что начав осознавать свою ценность, такие специалисты стремятся всеми силами закрыть себя от внешнего воздействия. Вы не добьетесь у них ответа на ваши технические вопросы, поскольку "у них нет времени заниматься чепухой", вас попросят "самостоятельно изучить технические каталоги". Такое искусственное возведение межфункциональных барьеров не способствует ничему кроме неспособности компании развиваться. В искусственно или неосознанно создаваемых непроходимых барьерах внутрь компании проникают только самые простые проекты, которые она способна выполнить.

Моделирование такой печальной причинно-следственной цепочки показывает, что при этом падает общее количество проектов, особенно, в момент кризиса, новые проекты не появляются из-за сложившихся и со временем формализуемых неформальных особенностей приема проектов в разработку. Вынужденное принимать меры, руководство компании увольняет сначала продавцов, а потом и оставшихся без работы коммерческих инженеров или разработчиков проектных спецификаций. Работа стандартизуется или упрощается настолько, что проще передать работу в соответствующие отделы своих дилеров, чем держать высококлассных специалистов у себя. Компания начинает лишаться своего основного ресурса и компетентности и, если не предпринимает мер, то в скором времени исчезает или просто теряет свою привлекательность для клиентов в связи с тем, что конкуренты вряд ли остановятся, например, собрав "выброшенных" на рынок специалистов по расчетам, а по сути, "подаренных" конкурентам.

Структура работы проектных групп также весьма оригинальна. Считая в день до 100 позиций, часто теряется связь с реальностью, а внимательность в работе является чуть ли не главным требованием к работе специалистов, поскольку ошибка в расчете и выборе арматуры кроме просто потерь, связанных с переделкой или перепоставкой арматуры и финансовых потерь, приводит к потере надежности работы такой арматуры, а иногда и авариям. Худший результат – это отказ клиента от сотрудничества.

Чтобы как-то решить задачу надежности проектных спецификаций, появляется тенденция к усложнению расчетных групп. Тогда дополнительно выделяется ставка "выпускающего" старшего проектировщика, проверяющего выполненные проектные спецификации младших по рангу специалистов. Работа группы усложняется, растет "бюрократия" внутри группы, количество производительной силы, попросту говоря, "интеллектуальных чернорабочих", внутри уменьшается.

Еще одной проблемой является неравномерность поступления запросов и "внезапных" больших объемов опросных листов. Они, к тому же, приходят часто в нечитабельном виде и создают большой объем рутинной работы по переводу таких опросных листов в формат Excel, удобный для работы. На эту часть работы коммерческий инженер тратит до 15-20% своего времени и очень ее не любит. При этом по затратам внимания это наиболее важная часть работы, поскольку, если вам приходится считать 700 позиций, то даже одна ошибка приведет к тому, что вся ценность спецификации будет поставлена под вопрос. Ведь дальше коммерческий инженер или проектировщик имеет дело только с введенными данными. Если удастся "выловить" ошибку – хорошо, а если нет?

Сама работа осложняется тем, что и проектные организации, выполняющие технологические расчеты и создающие технологические схемы, также часто ошибаются, давая в опросных листах неточную, а иногда и неверную информацию. По ходу развития проекта такая информация уточняется, вносятся изменения в опросные листы. Эти изменения передаются в проектные группы арматурных компаний для перерасчета. Количество редакций проектных спецификаций начинает превышать десятки, и коммерческий инженер, ответственный за проект, погружается в текучку. При этом текучка связана с простой работой по перерасчету спецификаций. Со временем она начинает занимать все время инженера. Где уж тут говорить об обработке новых запросов с множественными техническими расчетами, анализом технологических схем, расчетом дополнительных надежностных параметров арматуры, расчетов по критерию качества регулирования, оптимизации спецификаций и пр.?

Текучка приводит и к еще одному "чудному" фактору, который влияет на жизнь всей компании. Это – потеря конкурентоспособности. Выполняя только однотипные проекты, не давая расширений и приложений по обоснованию решений, которые бы показали понимание проблем клиента, такие проекты становятся в один ряд с похожими проектами конкурентов. А ведь расчет арматуры и представление упрощенного технико-коммерческого предложения не сводится к работе с клиентом. Это делают все. Задача состоит в том, чтобы дополнить предложение такими конкурентными факторами, которые смогли бы перевесить чашу весов при рассмотрении предложений в вашу сторону. Как это делается? Об этом чуть позже…

Такие вопросы, которые могли бы существенно помочь в увеличении объема продаж, как организация новых маркетинговых проектов, где совместно с проектными институтами инициативно перерасчитывается арматура на свою собственную, смысла в такой ситуации не имеют, поскольку, как правило, "белая кость" в лице коммерческих инженеров и проектировщиков "не склонна к авантюрным проектам". А как повысить привлекательность своей продукции, как убеждать клиента? Руководству стоит задуматься над тем, что отсутствие продаж – не беда отделов продаж, а проблема внутренней структуры и сложившегося соотношения сил в компании. Главной ограничивающей силой и оказывающей максимальное сопротивление при этом является именно высококлассная проектная группа.

Итак, содержание проектной группы дорого, а альтернативы неясны. Не с этим ли часто связано и нежелание многих Российских компаний развивать продажи регулирующей арматуры или увеличивать ее комплектацию в своих проектах. Собственно повышение комплектности регулирующей арматуры – это выигрыш еще одной ниши поставки в проект и выход на наиболее дорогие позиции, где потребительская ценность для клиента и добавленная стоимость для компании наиболее высока. Но, если Вы не умеете считать, то об этом не стоит и говорить, а если умеете, то будете нести существенные издержки при неясности перспектив. Придется поставлять только запорную арматуру, как обычно, на вес… Но решение есть. Для примера приведем компанию Метсо.

Так что решение может быть найдено. При этом резко снижаются и финансовые издержки, поскольку проектные группы нового типа работают в режиме аутсорсинга, дистанционной работы, и, как правило, на договоре подряда. Это резко облегчает финансовую нагрузку на предприятие, поскольку не требуется платить дополнительные и весьма значительные (свыше 37%) взносы и налоги за персонал. Кроме того, количество решаемых вопросов для повышения конкурентоспособности компании может быть увеличено. Для этого заглянем в будущее расчетов.

СМОТРИМ ДАЛЬШЕ

Если мы примем, что за аутсорсингом будущее, поскольку именно он способен решить проблему неравномерности заказа, "высококлассных специалистов", снятия их сопротивления и что еще более важно, и финансовых издержек на их содержание, то вопросы повышения конкурентоспособности предложений часто вообще выходят за рамки рассмотрения менеджеров. Уж слишком высоко влияние текучки.

Однако такие возможности есть. И простота решения заключается в том, что аутсорсинг, в основном, может иметь место на этапе подготовки бюджетного (предварительного) предложения, где действительно необходимы дополнительные силы. Большая часть с одной стороны рутинной работы, а с другой стороны и большой предварительной работы по проработке запроса с подготовкой технико-коммерческого предложения находятся именно здесь.

Какие вопросы здесь можно было бы решать, создавая конкурентные преимущества для клиента? Их достаточно много. Но есть и главное: основное внимание должно уделяться вопросам связи работы арматуры с эффективностью ее использования в контурах регулирования, АСУ ТП и технологических схемах. Это, а не собственно предложение, во многом создает потребительскую ценность для клиента. Некоторые подобные вопросы представлены во вставке:

Этот, далеко неполный перечень возможных направлений работы по анализу работы регулирующей и автоматической запорной арматуры, контуров регулирования и технологических схем, дает представление о возможностях повышения конкурентоспособности технико-коммерческих предложений и может дополняться в зависимости от особенностей проектов.

Как видите, с точки зрения руководителей вопрос очевиден: происходит дальнейшая специализация работы. Решается основная проблема, которая заключается в том, что слишком много сил тратится на продвижение силами менеджеров, в то время как их основной задачей должно было бы стать получение запросов и работа над контрактами.

АУТСОРСИНГ: ЗА ПРЕДЕЛАМИ РАСЧЕТОВ

Аутсорсинг позволяет разделить работы по продажам на коммерческую (контракты) и работу по подготовке предложений, а также выделить и продвиженческо-обучающую работу (презентации для конкретного клиента с максимальной "кастомизацией", сбор исходных данных, расчеты ТЭО и др.), также являющуюся важной частью работы менеджера по продажам.

Приведем пример анализа работы менеджеров по продажам из компании ЗАО "Метсо Автоматизация" и возникших при этом трудностей:

Аутсорсинговые работы должны быть насыщены содержанием, которое представляет компания. Как правило, это могут быть наиболее востребованные для компании темы, повышающие ее конкурентоспособность или клиентоориентированность, а также решающие трудоемкие вопросы, которые ранее оставались без внимания. Примерные проекты для аутсорсинга, отобранные компанией Метсо, представлены ниже:

Аутсорсер может также выступать в качестве специалиста по продвижению там, где есть достаточно много дополнительных расчетов, но при этом шансы перевода предложения в контракты могут быть не так высоки. Пример тем, которые были согласованы для поддержки решений МА на предприятиях ЦБП, приведены ниже:

Основной задачей для арматурных компаний при использовании возможностей аутсорсеров могла бы стать действительно важная и существенная помощь по подготовке обзоров применяемых решений, вспомогательных и технико-экономических расчетов по стандартным методикам. Эти вопросы особенно важны при внедрении интеллектуальных средств автоматизации (смарт решений), для которых требуется значительный объем работ по обоснованию их применения на предприятиях.

Типовые выходные результаты для компаний могли бы быть расширены до подготовки технических статей, разработки рабочих материалов к семинарам, опорных материалов для менеджеров, дилеров, подготовки баз данных, где компания намечает свои дальнейшие шаги. На основе поиска талантов и интереса к инжиниринговой деятельности среди фрилансеров легко бы формировался кадровый резерв.

Поручение свежих интересных проектов молодым менеджерам и их разработка способствовали бы со временем определению потенциальных ниш, на которые с успехом могла бы выйти компания в целом.

ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ ИНЖИНИРИНГОВОЙ КОМПАНИЕЙ И АУТСОРСЕРОМ

Для проведения работ по проекту между инжиниринговой компанией и компанией-аутсорсером заключается договор на сопровождение проекта. В договоре прописываются цели, порядок ознакомления компании-аутсорсера с особенностями инжиниринговой деятельности компании. Отдельным пунктом рассматривается обеспечение работ, в т.ч. необходимая техническая документация, назначение ответственного специалиста от фирмы.

Компания-аутсорсер обеспечивают подбор, теоретическое обучение фрилансеров по конкретным вопросам схемных решений и консультации при проведении расчета арматуры. Согласуется график проведения работ, определяется порядок контроля и форма отчета, а также порядок приема работы и рассмотрение сложных случаев, включая неудовлетворительное выполнение работ. Весьма важным являются утверждение сроков проведения работ, отвечающих требованиям проекта в целом. Пример разработки плана работ по аутсорсингу и основные положения договора на аутсорсинг представлены ниже:

ДОГОВОР

Структура договора на аутсорсинг включает договор, программу работ и план-график работ. Программа работ по перерасчету арматуры приведена ниже на условия технологической схемы до 100 ед. регулирующей арматуры:

ПРИМЕРНЫЙ ОТЧЕТ

1.      Общие положения, постановка задачи

2.      Предварительная часть. Особенности использования арматуры на предприятии. Наиболее применимые типы арматуры на выбранных предприятиях. Области применения арматуры компании. Наиболее характерные технико-экономические эффекты от применения арматуры и наиболее выделяемые потребительские свойства арматуры. Программа расчета. Расчет, выбор и оптимизация арматуры в зависимости от применения.

3.      Практическая часть. Конкретные расчеты и перерасчеты арматуры по программе расчета. Подготовка технических и технико-коммерческих предложений.

4.      Приложения. Подготовленные опросные листы, Технические предложения, конкретные предприятия и участки на них, для которых сделаны предложения. Схемы установки арматуры.

Для организации работы требуется, чтобы компания обеспечила:

– необходимую техническую документацию

– рабочие условия для привлечения аутсорсера к работе по подготовке технико-коммерческих предложений

– рекомендуемые программы расчета, если они имеются

– техническую консультацию специалистов аутсорсера по конкретным вопросам особенностей конструкций и работы арматуры.

1.1.      Аутсорсер обеспечивает:

– предоставление специалистов для участия в проекте;

2.      Стороны согласуют график проведения работ, определяют порядок контроля и форму отчета. Разрабатывается примерный график, программа работ, содержание отчета.

Опыт 7-летнего проведения подобных работ компанией КЦ Промконсалт показал высокую практическую значимость найденной организационной формы взаимодействия с арматурными компаниями. За эти годы были выполнены несколько проектов, проработаны такие непростые задачи как методика оценка эффективности применения арматуры на предприятиях ЦБП; оптимизационные расчеты по критериям управляемости и энергоэффективности, решены задачи повышения уровня регулирующей арматуры в пароконденсатных системах бумагоделательных машин, горелочном оборудовании, на участках дозирования химикатов, участках промывки, сортирования и очистки; флотации и массоподготовки, проведены многочисленные расчеты технико-экономических эффектов от внедрения смарт решений и пр. Аутсорсинг также хорошо работает и при сопровождении маркетинговой деятельности компаний, как показано в работе (1) и (2).

В КАЧЕСТВЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Будущее взаимодействия арматурных компаний и компаний-аутсорсеров по расчету арматуры будет заключаться в том, что большая часть вопросов, которые ранее решались с большими издержками, будут адекватно выполняться сторонними опытными консалтинговыми компаниями, имеющими большой опыт расчетов и сопровождения проектов.

Становится ясно, что вместо того, чтобы делать бесконечную рекламу, участвовать в ненужных выставках, просто попросите у клиента или проектной организации спецификацию установленной арматуры, пересчитайте ее силами аутсорсеров и сделайте инициативное предложение. Эффективность продаж будет выше…

Модуль1. Основные положения по расчету и выбору регулирующей арматуры

1.1. Современные средства расчета регулирующей арматуры и приводов

Эффективность и рентабельность зависят от правильного выбора размеров и установки. Вот как об этом говорят специалисты.

"Сегодня программное обеспечение для регулирующей арматуры от большинства производителей довольно продвинуты, и программы включают в себя все необходимые параметры клапана, что позволяют проводить расчеты всего лишь за один или два шага".

Джон Монсен, доктор философии, президент Валин Корпорейшн.

Определение размеров клапана и применение регулирующей арматуры всегда шли рука об руку. Однако, инструменты, доступные для пользователей клапанов, изменились и значительно улучшились со временем. В прошлом, расчеты размеров клапанов выполнялись со специально разработанными логарифмическими линейками. Некоторые из этих логарифмических линеек все еще актуальны сегодня и датируются концом 1930-х годов, до того, как была представлена концепция Сv. Отрасль постепенно адаптировалась с внедрением новых технологий. Примерно в 1978 году несколько производителей клапанов предлагали программы для программируемых калькуляторов HP97, многие из которых включали в себя вычисления шума.

После того как появился персональный компьютер (ПК) Хьюлетт Паккард, несколько производителей арматуры начали предлагать программы подбора размеров для ПК. Сначала они были рудиментарными, требующими, чтобы пользователь вводил конкретные параметры клапана, такие как FL и xT, и как только была рассчитана Сv пользователь должен был искать значение Сv в таблице производителя для определения того, какой клапан будет работать при допустимых степенях хода клапана. Как только это было определено, значения FL и xT, обычно должны были быть отрегулированы вручную. Кроме того, поправки к Сv и FL или xT для эффекта редуцирующих устройств труб часто отсутствовали или были неправильно реализованы. Так как формула для поправки Сv и FL и xT для эффекта трубных редуцирующих устройств, содержащих Сv, количество расчетов для нахождения решений было большим и трудоемким, поскольку необходимо было делать итеративные расчёты. Это был трудоемкий процесс с тогда еще очень медленными компьютерами.

Сегодня программное обеспечение для регулирующих клапанов от большинства производителей достаточно развито, и программы включают в себя все необходимые параметры клапана. Это сводит процесс определения размера регулирующего клапана только к одному- двум шагам и очень комфортно для конечного пользователя.

Некоторые ПО подбора размеров арматуры даже дают рекомендации насчет того, какой размер клапана будет лучше. Недостатком того, что все параметры находятся в программном обеспечении, является то, что большинство производителей может эффективно рассчитывать только свои собственные клапаны, хотя некоторые производители предоставляют программное обеспечение, содержащее данные для самых распространенных клапанов.

Возможно, самый новый и мощный инструмент, включённый в пакет программного обеспечения по определению размеров регулирующей арматуры – это возможность графического отображения обеих установленных характеристик потока (пропускной и расходной характеристик) и установленного усиления конкретной арматуры в системе, в которую она должна быть установлена.

На рисунке 1.1. показан установленный расход и коэффициент усиления двух размеров сегментного шарового клапана в предлагаемой системе с большим количеством труб и центробежным насосом. Это означает, что, если изменяется ход клапана и расход, падение давления в регулирующей арматуре также меняется.

Рис. 1.1. Установленная характеристика расхода и усиление двух сегментных шаровых кранов в системе со значительным количеством труб и центробежным насосом

Программа изображает две вертикальные линии на графике установленной характеристики для представления указанного минимального и максимального потока совпадет с графиком характеристики арматуры.

Что касается 6-дюймового клапана, есть много потраченной пропускной способности выше максимального потока 550 галлонов в минуту, который дорогостоящ и не нужен. Также не так уж и велик коэффициент безопасности на нижнем участке хода клапана. 3-дюймовый клапан использует более значительную часть своего общего диапазона хода и минимальный и максимальный указанные потоки симметрично размещены на установленной характеристике потока клапана. С 3-дюймовым клапаном, есть примерно такое же количество коэффициента безопасности на каждом конце указанного диапазона управления.

Реальную оценку того, как хорошо клапан будет контролировать процесс, можно найти в установленном графике усиления. Масштабирование оси 'x' находится в единицах q/qm, где q – фактический расход, а 'qm' – максимальный заданный расход. В пределах указанного диапазона расхода от 80 до 550 галлонов в минуту (между двумя вертикальными линиями), коэффициент усиления 6-дюймового клапана сильно меняется. Чем больше меняется усиление, тем труднее будет найти один хороший набор настроек регулятора, которые дадут и надежный контроль и стабильную работу на всем диапазоне расхода. Примерно на 70% от максимального указанного расхода, установленное усиление достигает около 3,5. Ошибочное 1% положение приведет к ошибке потока в 3,5 %, поэтому, в идеале коэффициент усиления должен быть максимально приближен к 1,0, чтобы сделать поток менее чувствительным к ошибкам положения. Установленный коэффициент усиления 3-дюймового клапана гораздо более постоянен, чем 6-дюймового клапана и ближе к идеальному значению 1,0. Это делает более легкой настройку контура для быстрого, но стабильного управления во всем заданном диапазоне расхода. Пиковое значение 2 означает, что ошибочное положение с погрешностью в 1% приведет к погрешности потока в 2%, по сравнению с 3,5% погрешностью 6-дюймового клапана.

Правильный выбор размеров приводов поворотных регулирующих клапанов необходим для обеспечения точного контроля и того, чтобы клапан плотно закрывался, когда это необходимо. Приводы больших размеров могут стоить дорого, добавить ненужный вес для сборки регулирующей арматуры и не реагировать так быстро на изменения в управляющих сигналах, как сделали бы это правильно подобранные приводы. Приводы меньшего размера, в лучшем случае, не смогут точно контролировать арматуру, переместить клапан под высокой нагрузкой процесса или прекратить процесс, когда клапан закрыт.

Существуют четыре наиболее распространенных типа механизмов для преобразования линейного движения во вращательное – это реечно-зубчатый механизм, шарнирный коленчатый вал, треугольный шатун и шарнирно-сочленённый кривошип, изображенные на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Механизмы преобразования движения пневматического поворотного привода, их крутящие моменты и требования к крутящим моментам шарового крана и затворного клапана

Хотя пружинно-возвратные приводы наиболее популярны для управления, начиная с приводов двойного действия легче понять относительные преимущества каждого из них и то, как работают их механизмы преобразования. Версии с возвратной пружиной имеют одинаковый крутящий момент по сравнению с характеристикой положения, за исключением их крутящего момента по отношению к положению искажено наличием пружины.

Механизм преобразования движения рейки и зубьев шестерни привода следующий: зубья передаточного механизма, прикрепленные к поршням, поворачивают передаточный механизм (шестерню). Расстояние между плечом момента и зубчатой рейкой с центром шестерни остаётся постоянным, поэтому крутящий момент остается постоянным на всех градусах открытия (см. оранжевую линию на рис. 1.2). В шарнирном кривошипном механизме соединение на поршне зафиксировано и свободно вращается. Это означает, что в начале и в конце вращения, плечо момента короче, чем в середине хода, поэтому кривая крутящего момента на выходе самая низкая в начале и конце вращения и достигает центра хода (см. синюю/зелёную линии на рис. 1.2). Для треугольного шатуна, стержень, прикрепленный к поршню ограничен в движении по прямой, это означает, что плечо момента самое длинное в начале и конце хода, и самый короткий в середине хода, когда поршень движется вниз и соединение с плечом кривошипа скользит в паз в сторону вращающегося вала (см. розовую линию на рис. 1.2). Для сравнения, геометрия шарнирного рычага является сложной и образует сложную кривую вращательного момента (см. голубую линию на рис.1.2).

В каждом случае преобразования механизмов на рисунке 1.2, кривые крутящего момента проецируются на расчетный или номинальный крутящий момент в 1,0 на графике. Требуемый крутящий момент для типичного высокопроизводительного дискового затвора самый большой тогда, когда диск выходит или входит на седло. Требования к крутящему моменту значительно снижаются, когда диск освободит седло. Динамический крутящий момент, вызванный взаимодействием потока с пиками диска, составляет около 800. Максимальный требуемый крутящий момент обычно заявляется на 90% от расчетного крутящего момента привода, так как обычно приводы выбраны с коэффициентом запаса (безопасности) не менее 10%. Расчетные крутящие моменты привода и требования к крутящему моменту арматуры обычно консервативны. Только небольшой фактор безопасности необходим, особенно для запорной арматуры, где основное соображение заключается в том, что клапан входит и выходит из седла. Требования крутящего момента шарового крана такие же, что и дискового затвора. При посадке и выхода из седла, шаровой кран имеет несколько градусов "мертвого угла". Это место, где шар поворачивается, но проточная часть в шаре полностью закрыта седлом, перекрывающим поток, так что полное давление отключения – это вдавливание шара в седло. Также важно обратить внимание, что крутящий момент шарового крана не падает так низко, как у дискового затвора, потому что шар всегда находится в контакте с седлом.

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.

Есть ряд вещей, которые могут вызвать чрезмерную переменность процесса, включая следующие:

– Состав поступающего сырья

– Состав входящих компонентов

– Технологическое оборудование

– Управление процессом проектирования

– Неадекватное смешивание / перемешивание

– Неэффективная настройка контуров управления

– Неправильно выбранные или плохо работающие регулирующие арматуры.

Конечные пользователи обеспокоены всеми пунктами этого списка, но для нашего обсуждения будет рассмотрен последний.

Примерно в половине случаев существует проблема колебательности, это может прослеживаться до регулирующей арматуры. Для хорошего управления требуется арматура, которая:

– Имеет пропускную способность, соответствующую процессу

– Правильного размера

– Имеет хорошие статические и динамические характеристики.

Важно выбрать арматуру с действительными характеристиками, которые соответствует процессу и правильно подобрать размер (номинальный диаметр) арматуры. Неправильно выбранная действительная пропускная характеристика приведет к нелинейной установленной расходной характеристике в трубопроводе. Результатом будет система, которую будет сложно или невозможно настроить для быстрого и стабильного отклика во всем требуемом диапазоне расхода. С другой стороны, правильно выбранная действительная пропускная характеристика даст линейную или почти линейную установленную пропускную характеристику, облегчая настройку системы для быстрого и стабильного отклика во всем требуемом диапазоне расхода.

Кроме того, регулирующие клапаны с большими номинальными диаметрами по сравнению с расчетными, имеют проблемы с точным корректированием потока до желаемой скорости. Предположим, что два клапана имеют одинаковое применение. В этом случае арматура правильного размера сможет регулировать расход с меньшими приращениями (по сравнению с габаритной арматурой) и, следовательно, сможет контролировать расход точнее.

Работа регулирующей арматуры также оказывает значительное влияние на переменность процесса. Самыми важными мерами производительности являются разрешение (или чувствительность), мертвая зона и скорость реакции.

Пример типичного теста мертвой зоны и разрешения показан на рисунке 1.5. «Трущееся» поведение арматуры часто воспринимается как плохая страгиваемость и определяется трением покоя. Это результат взаимодействия между трением в статике и динамическим трением. Статическое трение обычно намного выше, чем динамическое трение.

Рис.1.5. Типичный результат теста статической мертвой зоны и разрешения

В результате арматура держится на месте, пока приводом не будет создано достаточное усилие, чтобы преодолеть статическое трение, затем арматура быстро перемещается в другое положение. Разрешение (шаг) является мерой наименьшего движения, на которое способна арматура, двигаясь в одном направлении. Это называется статическим тестом, потому что всегда нужно ждать достаточно долго после каждого шага для любого возможного движения. Измерения не снимаются во время движения арматуры, но записывается только статическое положение арматуры после того, как она остановилась.

Сигнал управления представлен в виде ступени в одном направлении с очень маленькими ступеньками. После каждого шага есть период ожидания, чтобы убедиться, что у арматуры есть время сделать какое-либо движение, которое она собирается сделать перед началом следующего шага. Наблюдая за количеством шагов управляющего сигнала, которые необходимы, чтобы сделать движение, можно заметить, насколько чувствительна арматура, обычно это называется «разрешением».

После нескольких шагов в одном направлении, направление шагов меняется. Наблюдая за количеством шагов, которое требуется для инициирования, реверсирование движения арматуры определяет, что такое мертвая зона.

В этом примере размер шага составляет ¼%. В том же направлении эта арматура реагирует на каждый ¼% шаг, поэтому он имеет чувствительность или «разрешение» не менее ¼%. Это занимает два шага ¼% после смены направления для того, чтобы арматура начала двигаться в обратном направлении, так что эта арматура имеет мертвую зону не более чем ½%. Мертвая зона обнаруживается в процессе как простой, который дестабилизирует управление. Обратите внимание, что шкалы входа и положения различны, так что два графика будут легче отличаться друг от друга.

На рисунке 1.6. показаны результаты теста для очень «трущейся» регулирующей арматуры.

Рис.1.6. Статическая мертвая зона и разрешение арматуры с чрезмерным статическим трением

Результат чрезмерного трения в замкнутом контуре системы это предельный контур и переменность процесса (см. рис. 1.7.) с примером предельного контура.

Рис.1.7. Предельный цикл

Обратим внимание на контур переменного процесса на рисунке 1.7. и горизонтальную линию, которая была проведена над контуром переменного процесса в левой части графика. Арматура остаётся на одном уровне, а переменная процесса выше заданного значения. Интегральное (или сбросное) действие ПИ (пропорционально- интегрального) регулятора наращивает выход контроллера в попытке исправить ошибку до тех пор, пока в приводе не будет достаточно давления, чтобы преодолеть статическое трение. Это связано с тем, что динамическое трение ниже, чем статическое трение, и арматура быстро перемещается в новое положение. До того, как статическое трение преодолено, в приводе создалось достаточно давления, чтобы арматура перекрыла заданное положение, и новое значение переменной процесса теперь ниже заданного значения. В результате, действие сброса ПИ регулятора начинает линейно изменять выход контроллера в противоположном направлении в попытке исправить новую ошибку, но арматура снова остается в том же положении и не двигается, пока в приводе не будет создано достаточно давления для преодоления статического трения. Результатом является «Предельный цикл».

Характерной чертой предельного цикла является то, что переменная процесса способна колебаться в приближенной «квадратной» форме волны, а выходной сигнал контроллера колеблется в виде волны формы «зубьев пилы». Настройка контура изменит период предельного цикла, но не устранит его. Единственным решением для предельного цикла, вызванного регулирующей арматурой, является ремонт или замена арматуры.

Еще одной важной мерой качества регулирования и совершенства регулирующей арматуры является скорость реакции на шаг изменения в управляющем сигнале. Это «динамический» тест, так как он определяет, что арматура делает, пока она движется, и все движение записывается.

На рисунке 1.8. представлена типичная реакция арматуры на ступенчатое воздействие в заданной точке.

Рис. 1.8. Типичная реакция регулирующей арматуры на ступенчатое воздействие управляющего сигнала

При ступенчатом воздействии будет некоторый "простой" (Td, от англ. dead time), прежде чем будет произведено движение рабочего органа арматуры. При этом может возникать перерегулирование.

В прошлом два параметра обычно использовались для измерения скорости реакции, T63, время, необходимое для арматуры, чтобы среагировать на 63 % от общей реакции, и T98, время, необходимое для арматуры, чтобы достичь 98 % от ее окончательного положения.

T63 был выбран как эквивалент постоянной времени системы первого порядка. Термин «постоянная времени» не использовался, потому что реакция регулирующей арматуры редко бывает первого порядка. Реакция первого порядка с T86 (две постоянные времени) и временем установления, аналогично T86 и времени установления отклика арматуры, нужны для того, чтобы определить, что реакция арматуры не первого порядка.

ISAS75.25.01, «Процедура измерения реакции регулирующей арматуры ступенчатое воздействие» теперь использует один параметр – T86, что соответствует двум постоянным времени системы первого порядка. Обратите внимание, что T86 измеряется от времени изменения шага в управляющем сигнале.

Скорость реакции регулирующей арматуры также является проблемой. На рисунках 1.9. и 1.10 показан отклик системы первого порядка, которая имеет постоянную времени равную 10 секунд, то есть процесс, который реагирует на протяжении 63% полной реакции за 10 секунд.

Рис. 1.9. Реакция процесса с 10-секундной постоянной времени при управлении значением 10-секундной постоянной времени

Рис. 1.10. Реакция процесса с 10-секундной постоянной времени

при управлении значением 1-секундной постоянной времени

Хотя реакция регулирующей арматуры обычно более сложная, чем первого порядка, допустимо, для сравнения эффекта арматуры с различными скоростями, рассматривать их как системы первого порядка. Если бы 10-секундная система контролировалась арматурой с 10-секундной постоянной времени, общий отклик будет выглядеть так, как показано на рисунке 1.9. Объединенный отклик намного медленнее, чем то, на что способен сам процесс. Когда тот же 10-секундный процесс управляется арматурой с постоянной времени в 1 секунду, как показано на рисунке 6, объединенный отклик почти так же быстр, как скорость, с которой бы процесс мог реагировать с бесконечно быстрой арматурой. Как правило, арматура, которая в пять раз быстрее, чем сам процесс, будет иметь небольшой эффект в замедлении процесса реагирования настолько быстро, насколько это возможно.

Ниже приведены некоторые рекомендации для арматуры в процессах, где требуется очень хорошее управление:

1.      Разрешение (Сцепление/ трение покоя): ≤ 0,5%

2.      Мертвая зона: ≤ 0,5%

3.      Скорость реакции:

А) Быстрые контуры:

1. Td арматуры ≤ 20% от требуемой постоянной времени процесса с обратной связью

2. T86 арматуры ≤ 40% от требуемой постоянной времени процесса с обратной связью (это эквивалентно тому, что арматура должна быть в пять раз быстрее желаемого времени реакции процесса с обратной связью.)

3. Время установления арматуры ≤ чем желаемая требуемая постоянная времени процесса с обратной связью

Б) Медленные контуры: не важны

4. Ступенчатое перерегулирование: максимум 20%.

Поскольку арматура достигает 86 % от ее общей реакции за 2 секунды, и желаемая реакция процесса должна достичь 86 % от ее общей реакции за 10 секунд, это равносильно тому, что арматура в пять раз быстрее, чем желаемое время реакции процесса.

20% перерегулирования означает 20% размера шага. Например, перерегулирование на 10% не должно превышать 2% шкалы. Рекомендации для T86 соответствует с предложениями в техническом отчете арматуры ISA – TR75.25.02.

На рисунке 1.11 продемонстрировано, почему критерии скорости реакции имеют смысл.

Рис. 1.11. Реакция арматуры в сравнении с требованиями процесса

Это та же арматура, которая обсуждалась ранее, и она соответствует вышеуказанным рекомендациям для процесса, где желаемая постоянная времени обратной связи составляет 5 секунд.

Простой, который чуть ниже рекомендуемых 20% от желаемой постоянной времени обратной связи, означает, что он закончился вовремя, чтобы иметь небольшое влияние на общую реакцию процесса.

Арматура достигает 86% своего полного хода только после 40% от желаемой постоянной времени обратной связи. Можно увидеть, что арматура намного впереди, когда процесс должен достичь 63% от его окончательного значения, и даже дальше, когда процесс должен достичь значения своих двух постоянных времени (86%). Так как арматура достигает 86% своей полной реакции в течение 2 секунд, и желаемый отклик процесса должен достичь 86% от общей реакции за 10 секунд, это эквивалентно тому, что арматура в пять раз быстрее, чем требуемое время отклика процесса.

На ранней стадии полного отклика небольшое перерегулирование будет способствовать незначительно, если и будет, перерегулированию процесса. Реакция арматуры установилась до своего окончательного значения после чуть меньше одной желаемой постоянной времени процесса, задолго до того, как процесс, как ожидается, достигнет своего окончательного значения.

То, что нужно запомнить:

– арматура большего размера затруднит точное регулирование расхода.

– регулирующая арматура с неправильной действительной пропускной характеристикой приведет к нелинейной установленной пропускной характеристике и затруднит или сделает невозможным подбор настроек ПИД-регулятора, которые дадут быстрое и стабильное управление на протяжении требуемого диапазона расхода.

– предельный цикл, скорее всего, вызван арматурой, которая имеет чрезмерное усилие страгивания из-за статического трения (сцепления и трения покоя) и нуждается в ремонте или замене.

1.3. Кавитация и прогнозирование кавитационных повреждений в регулирующей арматуре

Дросселированный поток жидкости в регулирующих клапанах приводит либо к вскипанию, либо, что чаще, к кавитации. Классический подход к объяснению дросселированного потока заключается в следующем. Если предположить, что поток увеличивается линейно с квадратным корнем перепада давления, ΔP до тех пор, пока ΔP достигает перепада дросселированного давления, ΔPдроссел., и тут же становится полностью дросселированным без дальнейшего увеличения расхода. (См. пунктирные линии на Рис. 1.12). Термин, используемый здесь для разделительной линии между недросселированным потоком и дросселированным потоком (ΔPдроссел.), – это терминология, используемая в версии 2012 года (Стандарт стабилизации определения размера регулирующей арматуры Международного общества автоматизации (ISA)). До этого, не было определения разделяющей линии, так что производители арматуры придумывали свои названия.

Рис. 1.12. Реальная ситуация того, как поток дросселируется постепенно, а не мгновенно

Некоторые примеры: ΔPдопустимое, ΔPконечное, ΔPmax и ΔPкритическое. На самом деле, есть определенное количество округлений графика в точке ΔPдросселируемое, как показано на рисунке 1.12.

На кривую дросселирования влияет геометрия отверстия арматуры. В качестве примера, см. сегментный клапан на рис. 1.13, имеющий значительную переходную кривую дросселирования. Для сегментного шарового клапана диапазон дросселирования имеет значительный переход из-за конфигурации прохождения потока. Сегментный кран имеет зону неравномерного потока. Ограниченный поток на узких концах зоны неравномерного потока создает локально более высокий сдвиг напряжения, вызывающие кавитацию (и, в конечном счете, дросселирование), чтобы сначала произойти в этих областях. В конце концов, вся зона будет дросселировать по мере того, как перепад давления в арматуре увеличивается. В результате неравномерного распределения кавитационного потенциала, дросселирование происходит в разных местах внутри клапана с различным расходом. Это вызывает дросселирование в переходной области.

Рис. 1.13. Влияние геометрии отверстия клапана на длину перехода от недросселированного потока к полностью дросселированному

В отличие от сегментного шарового крана седельный линейный клапан имеет очень симметричную зону потока, поэтому дросселирование начнется примерно на всем пути расхода в то же время, в результате чего более образуется короткая переходная область между недросселированным потоком и полностью дросселированным потоком.

Затруднения при определении графика расхода

Нет признанного метода для расчета формы закругленной части графика, поэтому уравнения ISA изображают пунктирные линии на рисунке 1.12. В течение многих лет классический подход (пунктирные линии) был использован для прогнозирования кавитационных повреждений. Предполагалось, что если фактическое падение давления было меньше, чем ΔPдросселированное, то кавитационных повреждений не было; и, если фактическое падение давления было больше, чем ΔPдросселированное, то повреждения, вызванные кавитацией, были. В настоящее время, большинство пользователей регулирующих клапанов и их производителей признали, что при регулировании в области, находящейся слишком близко к точке ΔPдросселированное может привести к неприемлемым уровням кавитационных повреждений. Не трудно обнаружить механическое повреждение, вызванное вибрацией, возникающей в результате кавитации. Так, в одном случае болты крепления привода к клапану разболтались до такой степени, что привод расшатался и чуть не упал. В другом случае, отсечной клапан с электроприводом, находящийся ниже кавитирующего клапана примерно на 20 футов, вышел из строя. Конденсатор двигателя вышел из строя из-за высокой вибрации.

Это округленная кривая расхода прогнозирует ущерб сложнее, чем, если сопоставлять фактическое падение давления с расчетным падением давления в дросселе (которое предполагает классическое обсуждение внезапного перехода между недросселированным потоком и дросселированным. Шум и повреждения могут возникнуть до того, как давление в основном течении в местном сужении потока падает до Ff Pv.

Pv (Ff, умноженное на давление пара жидкости). Хотя многие публикации о дросселированных потоках, кавитации и вскипании говорят о том, что падение давления в местном сужении потока продолжаются до давления пара, многочисленные испытания дросселированного потока показали, что давление при местном сужении потока должно опуститься ниже давления пара на входе для образования испарения в местном сужении потока и для его дросселирования. Формула ISA на рис.1.12 для Ff дает хорошую аппроксимацию того, насколько ниже должно быть давление пара на входе, чем давление при местном сужении потока для дросселирования потока.

Этапы кавитации

Первые стадии кавитации начинаются тогда, когда среднее давление в основной линии потока на местном сужении потока все еще выше, чем Ff, умноженное на давление паров жидкости (см. рис. 1.14).

Рис. 1.14. Кавитация может возникнуть, когда давление в местном сужении потока больше FfPv

В точках резкого увеличения площади расхода, линии потока, которые привязаны к физическим границам арматуры могут разделяться, и когда это происходит, они образуют вихри. Скорость вращения в вихрях может быть достаточно высокой, чтобы местное давление внутри вихря упало ниже давления пара, и образовались пузырьки пара. Как только скорость вращения вихря уменьшается, давление, окружающее пузырьки пара увеличиваются, и пузырьки лопаются. Вихри также образуются в слое сдвига, прилегающего к основной линии потока, где существуют высокоскоростные градиенты, и они также являются потенциальными источниками для кавитации. Этот уровень кавитации имеет потенциал индикации для определения генерации шума и повреждений даже до того, как кривая расхода начинает отклоняться от прямой.

Как только падение давления в арматуре увеличивается, скорость в местном сужении потока увеличивается, и давление в местном сужении потока падает до FfPv (см. рис. 1.15).

Рис. 1.15. Падение давления в местном сужении потока до FfPv

Расход в регулирующей арматуре зависит от давления в местном сужении потока. Поскольку давление в местном сужении потока не может быть меньше, чем Ff умноженное на давление паров жидкости, поток становится дросселированным; то есть дальнейшее снижение давления на выходе не влияет на дальнейшее увеличение расхода.

Управлять арматурой "в" или "за" рассчитанной по FL точке дросселирования ΔPдроссел. почти наверняка приведет к чрезмерному шуму и кавитационным повреждениям.

Прогнозирование кавитационных повреждений

Проблема кавитации состоит из двух частей: возможность появления высокого уровня шума и повреждения арматуры. Существует несколько надежных методов для прогнозирования шума в арматуре, в том числе методы, опубликованные Международной Электротехнической комиссией, ISA и немецким VDMA. Нет стандарта для прогнозирования кавитационных повреждений.

Некоторые производители арматуры прогнозируют начало кавитационного повреждения по определению в зарождающемся повреждении падения давления, которое можно обозначить как ΔPID, используя коэффициент КС (см. формулу на рис. 1.16).

Рис. 1.16. КС и σmr как прогнозирование кавитационных повреждений

Первоначально производители арматуры определили ΔPID и КС как точку, в которой кривая фактического расхода отклоняется от прямой на 2 процента. Позднее было определено, что это не обязательно должно совпадать с началом повреждения. Несколько производителей сейчас оценивают фактическое применение опыта с кавитационным повреждением и устанавливают значения КС для арматуры. Один производитель использует КС, равный 0,7 для седельного линейного клапана, который, как он утверждает, хорошо прогнозирует точки, в которой начинается повреждение.

Другие производители базируются на рекомендуемой практике ISA-RP75.23 – 1995, (Оценка кавитации регулирующей арматуры), и используют σ, чтобы представлять различные уровни кавитации.

Они используют значения σmr (рекомендуемое минимальное значение сигмы производителя для конкретной арматуры). σ определяется как

(P₁ – Pv) / ΔP.

σmr и КС – это взаимообратные величины. Они несут одну и ту же информацию, хотя рекомендуемая практика включает в себя дополнительные параметры. Более высокие значения КС сдвигают точку начального повреждения ближе к ΔPдроссел., где более низкие значения σmr делают то же самое.

FL – это не параметр кавитации, а параметр дросселированного потока. Его единственное использование заключается в определении теоретической точки дросселирования, исходя из предположения, что точка дросселированного потока, ΔPдроссел., является пересечением двух прямых пунктирных линий, показанных на рис. 1 и 4 красным и зеленым цветом. Использование FL в качестве параметра кавитации, вероятно, приведет к недопустимым уровням кавитационного повреждения.

Специальные методы определения кавитации

Метод прогнозирования кавитации, который с успехом используется уже более 25 лет, и основан на том факте, что то же самое, что приводит к повреждениям, также вызывает шум, а именно, к схлопыванию пузырьков пара.

Идея корреляции шума с кавитационными повреждениями возникла в 1985 году, когда доктор Ханс Бауманн опубликовал статью, в которой он установил максимальный уровень звукового давления 85 A-децибел (дБА) как верхний предел, чтобы избежать допустимого уровня кавитационного повреждения в дисковых затворах. Чтобы убедиться в этом, производитель арматуры Метсо провел исследование многих кавитационных повреждений, причем в некоторых случаях кавитация была минимальной, а в других – чрезмерной. Был сделан вывод, что возможен прогноз, что повреждения будут в пределах допустимого, если прогнозируемый уровень шума ниже пределов, установленных в исследовании. Для 6-дюймового клапана, предел составляет 85 дБА.

Так как одинаковое количество пузырьков в секунду, которые приводят к уровню звукового давления, равному 85 дБА и возможность кавитационных повреждений в 6-дюймовом клапане более распространены и менее сконцентрированы, чем в 8-дюймовом клапане, допускается больше пузырьков в секунду и, следовательно, более высокий уровень шума присутствует в больших клапанах. Применяя то же рассуждение, количество пузырьков в секунду, допустимые в 4-дюймовом клапане, будет более сосредоточенным в 3-дюймовом клапане, чтобы избежать повреждения в меньших клапанах, предел шума должен быть ниже.

Установленные пределы SPL (основанные на расчетах шума с использованием VDMA 244221979), чтобы избежать кавитационных повреждений, являются арматура размером

до 3 дюймов: 80 дБА

от 4 до 6 дюймов: 85 дБА

от 8 до 14 дюймов: 90 дБА

от 16 дюймов и больше: 95 дБА

Обратите внимание, что, независимо от расчета шума, фактическое падение давления должно быть меньше, чем падение давления дросселирования, потому что опыт показывает, что управление падением давления дросселирования почти наверняка приведет к повреждению в большинстве применений регулирующей арматуры.

1.4. Почему клапаны с собственной равнопроцентной характеристикой имеют линейную расходную характеристику в трубопроводе?

Каким образом установленный поток, характерный для равнопроцентного клапана в системе, включающей значительное количество труб или других трудоёмких элементов "магически" становится линейной, или приблизительно линейной расходной установленной характеристикой. Компьютеризированный анализ, используя математическую модель системы, подтверждает, что это действительно так. Чтобы продемонстрировать это, мы рассмотрим систему, показанную на рис. 1.17. Это система с центробежным насосом и значительным количеством труб, как вверх по течению, так и вниз по течению от регулирующей арматуры. Статический анализ показывает, что при изменении расхода, давление на входе и выходе клапана (P₁ и P₂) изменяется как показано в таблице и графике на рис. 1.17.

Мы также приведем рабочий лист расчетов с размерами регулирующей арматуры, которая поможет построить график расходной характеристики данного клапана в системе, в которой она будет установлена. График расхода, выполняемый на основе табличных значений CV и зависимых от относительного хода (Таблица 1.1.), вводимых пользователем условий протекания технологического процесса, например, те, что показаны на рис. 1.17, и модель процесса, основанная на принципе, что потери давления в трубопроводной системе приблизительно равны квадрату расхода в приведенной модели процесса и ее применение приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.1. Данные клапана

Данные расчета системы приведены ниже

Рис. 1.17. Анализ системы со значительным числом труб и падением давления до и после равнопроцентного клапана

Рисунок 1.18. представляет собой скриншот пользовательского интерфейса рабочего листа, отображающий данные процесса для примера на рис. 1.17. Он также показывает рассчитанный требуемый Cv клапана для указанного минимального и максимального расхода.

Рис. 1.18. Данные ввода и результаты вычислений для системы из рис.1.17.

На рисунке 1.19 показан график установленного относительного расхода (синим цветом) вместе с относительной действительной пропускной способностью клапана, Cv (серый). На рисунке 1.19 также показан перепад давления в клапане (красный цвет), определяемый моделью давления процесса в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Модель процесса падения давления в клапане

На рисунке 1.19 вертикальная ось слева показывает падение давления на клапане в зависимости от относительного хода клапана. Вертикальная ось справа показывает относительный установленный расход, и относительную пропускную способность клапана (Cv). Важно отметить, что оба графика установленного расхода (расходной характеристики) и действительной пропускной характеристики клапана (Cv) показывают на относительной шкале. То есть, относительный расход 1 – это 100% полностью открытый расход и относительная пропускная способность (Cv) 1 составляет 100% от полностью открытого Cv, рассчитанным производителем. Это широко используемое соглашение, так как оно позволяет легко сравнивать форму и линейность действительной установленной характеристики различных типов и размеров клапанов.

Рис.1.19. Действительная пропускная характеристика и перепад давления клапана в установленной пропускной характеристике

В примере ясно видно, что на основании компьютерной модели этой системы и клапана, установленная пропускная характеристика равнопроцентного клапана в этой системе почти линейная, где перепад давления через клапан уменьшается с увеличением расхода.

Обратная сторона, показывающая действительную пропускную способность клапана (Cv) и расход, как относительные графики, это то, что он маскирует то, что на самом деле происходит. Что на самом деле вызывает равнопроцентную действительную пропускную способность, чтобы стать почти линейным расходом в трубопроводе при снижении перепада давления в клапане с увеличением хода клапана и увеличением расхода?

На рисунке 1.20 объяснено, что на самом деле происходит, когда равнопроцентный клапан устанавливается в системе, в которой перепад давления клапана уменьшается с открытием клапана и увеличением расхода.

Рис. 1.20. Сравнение установленной пропускной характеристики 3-дюймого равнопроцентного сегментного шарового клапана в системе на рис.1 (красные линии) и в системе постоянного перепада давления в клапане (голубые линии)

На рис.1.20. показаны два скриншота, наложенных друг на друга из одного и того же расчетного листа. Он немного изменен, чтобы построить график фактического расхода (по левой оси) не как относительный расход, а в фактических единицах расхода (галлонов в минуту). Это сделано для того, чтобы можно было наблюдать разницу между тем, как выглядел бы полностью открытый расход, если бы перепад давления в клапане оставался постоянным с ходом клапана и расходом (синие линии), и если бы перепад давления в клапане уменьшился с ходом клапана и расходом из-за потерь давления в системе (красные линии). Когда перепад давления в клапане остается постоянным при всех открытиях клапана и расходах, характеристика установленного расхода (синяя линия) имеет ту же форму, что и действительная пропускная характеристика – равнопроцентная характеристика.

При установке в системе равнопроцентного клапана, где, из-за потерь давления, меняется не только форма соотношения между ходом клапана и расходом, но и значительно снижается полностью открытая пропускная способность клапана. Это может возникнуть из-за потерь давления в трубопроводах системы и других компонентов, потребляющих давление, такие как колена, отсечной клапан, теплообменники и т.д.

При наблюдении за красной кривой расхода видно, что, когда ход клапана сравнительно мал, перепад давления не очень сильно меняется. Это означает, что форма графика расходной характеристики не сильно отличается от кривой действительного расхода клапана. Но по мере того, как относительное положение клапана увеличивается, из-за особенностей потерь давления в трубопроводной системе, перепад давления, доступный для клапана, начинает быстро снижаться. Это приводит к тому, что поток увеличивается медленнее, и гораздо меньше, когда клапан полностью открыт. Конечный результат анализа заключается в том, что равнопроцентная действительная пропускная характеристика будет показывать почти линейную установленную расходную характеристику при установке в системе со значительным количеством разветвлений трубопроводов и/или других элементов, потребляющих давление.

Метод расчетов

Расчет установившегося расхода основан на простой математической модели процесса (Таблица 1.2), использующая принцип, согласно которому потери давления в трубопроводной системе приблизительно равны расходу в квадрате.

Существует 10 вариантов вычислений расхода, один из которых основан на Cv клапана. В таблице 1.1 показан расчет для каждого 10-ти процентного прироста хода клапана от 10% открытого (относительный ход 0,1)до 100% открытого (относительный ход 1,0). Так как цель расчета – это расчет расхода, но перепад давления в клапане – это функция потока (которая изначально неизвестна), и требуется итеративный расчет. При расчете сделано первоначальное предположение расхода для каждого из 10 расчетов. Предположение всегда меньше, чем ожидаемый фактический расход для этого конкретного увеличения относительного хода.

Для первого приращения хода (относительный ход 0,1), первоначальное предположение произвольно устанавливается 0,01 от минимального указанного значения расчетного расхода. Разумно предположить, что расход в любом практическом регулирующем клапане при 10%-ном ходе будет больше, чем 1/100 минимального расчетного расхода. Для последующих расчетов (относительное увеличение хода в пределах от 0,2 до 1,0), первоначальное предположение – это фактический расход, вычисленный из предыдущего расчёта увеличения хода.

Расчет расхода при каждом приращении относительного хода начинается с первоначального предположения для расхода и соответствующего Cv (вычисляется с использованием этого предположения о расходе, P₁ клапана и перепада давления, рассчитанного моделью в табл. 2 при таком расходе). Абсолютное значение разницы между этим Cv и вводом пользователя расчетного Cv клапана в таблице на рис. 1 записан для этой итерации.

Для следующей итерации предположение расхода увеличено на 1% выше расхода, использованного в предыдущей итерации, и вышеописанный процесс повторяется. После достаточного количества итераций список вычисленной разницы между фактическим Cv клапана и вычисленным Cv ищется минимальное значение. Этот минимум – это точка, в которой вычисленная Cv наиболее близка к Cv клапана в таблице 1.1 для этого приращения относительного хода. Расход от этой итерации затем становится в пределах 1%. Расход при этом шаге относительного хода для этого клапана в этой системе. После вышеприведенной процедуры для всех 10 шагов хода клапана, чертятся графики, которые показаны на рисунке 1.20.

Хотя ранее об этом не упоминалось, причина, по которой FL (Коэффициент восстановления давления жидкости в клапане) указан в таблице 1.1. объясняется тем, что итерационные расчеты проверяют и корректируют для дросселированного потока. Влияние трубных редуцирующих устройств на оба Cv и FL также включены в расчеты.

1.5. Подходы к эффективному подбору номинального диаметра регулирующей арматуры

Выбор регулирующей арматуры подходящего размера необходим для достижения высшей степени управления процессом. Сегодня расчет размеров регулирующей арматуры обычно выполняются с использованием компьютерных программ. Большинство производителей регулирующей арматуры предлагают программное обеспечение для определения размеров регулирующей арматуры бесплатно, однако в основном они применяются только к регулирующей арматуре производителя. Расчеты в программе подразумевают выбор из ряда имеющихся регулирующих клапанов. Обычно выбор включает типовые регулирующие клапаны с равнопроцентной характеристикой, линейные проходные клапаны, шаровые краны, эксцентриковые поворотные клапаны, высокопроизводительные дисковые затворы и сегментные шаровые краны. Эти типовые решения по выбору арматуры позволяют пользователю исследовать возможность применения различных типов и размеров регулирующей арматуры для конкретного применения, не оказывая предпочтение конкретному производителю арматуры.

Кроме того, существует множество комплексных таблиц в Excel, соответствующие методам ANSI / ISA-75.01.01 (IEC60534-2-1 Mod)-20012, а также уравнения расхода для подбора размеров регулирующей арматуры, которые доступны бесплатно на www.control-valve-application-tools.com. Эти таблицы применимы к регулирующей арматуре всех производителей и документированы так, чтобы пользователь мог проследить расчеты по уравнениям в стандарте.

Ниже представлен краткий обзор некоторых факторов, которые нужно учитывать, чтобы определить размер и выбрать правильную регулирующую арматуру для конкретного применения.

Выбор типа регулирующей арматуры

Выбор типа регулирующей арматуры, например, линейные седельные клапаны, шаровой, сегментный краны, дисковый затвор и т.д.) часто основывается на инструкциях или предпочтениях завода-изготовителя. Например, большинство регулирующей арматуры на бумагоделательных заводах обычно представляют собой шаровые или сегментные краны. Нефтеперерабатывающие заводы традиционно используют большое количество клапанов с линейным движением штока, хотя беспокойство по поводу выбросов в атмосферу заставило некоторых пользователей обратить внимание на поворотную регулирующую арматуру, потому что зачастую в таком случае легче получить долговременное уплотнение штока. Линейные клапаны имеют самый широкий спектр опций пропускной характеристики, снижения давления, температуры, шума и кавитации.

Линейные клапаны, как правило, самые дорогие. Сегментные шаровые краны, как правило, имеют более больший диапазон регулирования и почти в два раза большую пропускную способность от линейных клапанов сравнимого диаметра и, кроме того, они дешевле. Тем не менее, сегментные шаровые краны ограничены при наличии экстремальных температуры и давления и более подвержены шуму и кавитации, чем линейные клапаны. Поворотные затворы даже дешевле, чем шаровые краны, особенно больших размеров (8 дюймов и более). Они также имеют меньший диапазон регулирования, чем шаровые краны, и более подвержены кавитации. Эксцентриковые поворотные краны (общий термин, обычно применяется к клапанам с торговыми названиями, такими как Camflex, зарегистрированный товарный знак DresserMasoneilan и Finetrol, зарегистрированный товарный знак MetsoAutomation) сочетает в себе особенности поворотной регулирующей арматуры, такие как уплотнения штока с высоким сроком службы и компактная конструкция запорной регулирующей арматуры. В отличие от других типов поворотной регулирующей арматуры, которые имеют пропускную способность примерно вдвое больше, чем у линейной регулирующей арматуры, пропускная способность эксцентриковых поворотных плунжерных клапанов находится на уровне линейных клапанов.

Конечно, выбор типа регулирующей арматуры очень субъективен. При отсутствии четкого предпочтения завода, рекомендуется следующий подход для выбора типа регулирующей арматуры для применения, где регулирующая арматура будет 6 дюймов или меньше. Рассматривая давление, перепад давления, температуру, необходимую пропускную характеристику, кавитацию и шум, нужно сначала определить, будет ли работать сегментный шаровой кран. Если сегментный кран не подходит, следует выбрать линейный регулирующий клапан. Нужно иметь в виду, что клеточные клапаны не подходят для грязных сред. В тех случаях, когда применяется регулирующая арматура 8 дюймов или больше, рекомендуется сначала исследовать применимость высокоэффективного поворотного затвора из-за потенциальной значительной экономии в цене и весе.

Пропускная способность регулирующей арматуры

Как правило, системы со значительным количеством труб и фитингов (наиболее распространенный случай) обычно лучше всего подходят для равнопроцентных действительных характеристик регулирующей арматуры. Системы с очень маленькими трубами и другими элементами, потребляющими давление (где падение давления в регулирующей арматуре остается постоянным, и в результате, действительная характеристика регулирующей арматуры также является установленной характеристикой) обычно лучше подходят для линейных действительных характеристик регулирующей арматуры.

Переходные и сужающие устройства

Регулирующая арматура обычно устанавливаются в трубопроводе большего размера, чем сама регулирующая арматура. Чтобы приспособить меньшую по размеру регулирующую арматуру, необходимо прикрепить переходники (конфузоры). Так как размер регулирующей арматуры обычно неизвестен в то время, когда рассчитывается падение давления, доступное регулирующей арматуре, можно не включать переходники в расчеты потерь давления в трубопроводе. Вместо этого потери давления в переходниках рассчитываются как часть процесса определения размера регулирующей арматуры путем учета коэффициента геометрии трубопровода Fр. Все современные компьютерные программы для определения размера регулирующей арматуры включают Fр в расчеты. Поскольку Fр является функцией неизвестного Cv, требуется итеративное решение.

Данные расчетов

Расчет диаметра регулирующей арматуры будет надежным только в том случае, если данные процесса, используемые в расчете, точно соответствуют реальным процессам. Есть две области, где появляются ненадежные данные, и где нужно вводить корректировки. Для этого применяют два способа. Первый предполагает добавление коэффициента запаса к расчетному расходу. Второй включает определение размера падения давления ∆P. Однако проблема может возникнуть, если несколько человек участвуют в проектировании системы, и каждый добавляет коэффициент запаса, не понимая, что другие сделали то же самое.

Пожалуй, самая неправильно понятая область определения размера регулирующей арматуры – это определение перепада давления ∆P для использования в расчете размеров. ∆P не может быть произвольно конкретным без учета фактической системы, в которой будет установлена регулирующая арматура. Необходимо помнить, что все компоненты системы, за исключением регулирующей арматуры (например, труб, фитингов, запорной арматуры, теплообменников и т. д.) зафиксированы, и при скорости потока, требуемой системой (например, для охлаждения горячих химикатов до указанной температуры, поддержания указанного уровня в баке), потеря давления в каждом из этих элементов также зафиксирована. Только регулирующая арматура является переменным, и подключена к автоматической системе управления. Система управления отрегулирует регулирующую арматуру в нужное положение, чтобы установить требуемый поток (и, таким образом, достичь указанной температуры, уровня в баке и т. д.). В этом случае, часть всей системы перепада давления (разница между давлением в начале системы и в конце системы), которая не используется фиксированными элементами, должна появиться в регулирующей арматуре.

Правильная процедура определения падения давления в регулирующей арматуре в проектируемой системе, будет следующей:

1. Начните с точки, расположенной перед регулирующей арматурой, где давление известно, затем при данной скорости потока вычтите потери давления системы, пока вы не достигнете впускного отверстия клапана, так Вы определите P₁.

2. Затем за клапаном, пока не найдете другую точку, где известно давление, и при заданной скорости потока обратно (перед впускным отверстием клапана) добавляя (так как вы двигаетесь к впускному отверстию) потери давления системы, пока не достигнете выпускного отверстия клапана, так Вы определите P₂.

3. Теперь вы можете вычесть P₂ из P₁, чтобы получить ΔP.

4. Если вы планируете выполнить расчеты размеров больше одной скорости потока (например, при максимальном и минимальном расчетном потоке) необходимо повторить расчет P₁ и P₂ при каждой скорости потока, так как потери давления в системе (и напор насоса) зависят от потока. На рисунке 1.21. показан этот процесс.

Рис. 1.21. Правильный метод определения падения давления в регулирующей арматуре в целях определения её размера.

В некоторых ситуациях пользователю нужна помощь при определении перепада давления в регулирующей арматуре. Типичная ситуация такого рода представляет собой насосную систему, в которой пользователь знает необходимое давление в конце системы и в праве выбрать насос. Процедура, которая часто дает оптимальное падение давления в регулирующей арматуре, включает в себя расчет потерь динамического давления во всех неподвижных элементах системы при расчетном уровне расхода. Для хорошего баланса по экономичности и качества регулирования следует добавить падение давления, равное половине динамических потерь для регулирующей арматуры. После добавления этой суммы к требуемому давлению в конце системы и любым изменениям в напоре, выберите насос, который соответствует требуемому давлению как можно ближе. Так как, вероятно, нужно будет выбрать насос, который не совсем точно соответствует расчетному требуемому давлению, следует пересчитать фактический размер регулирующей арматуры по ∆P, как описано в предыдущем абзаце. Проектирование при расчетном перепаде давления для регулирующей арматуры значительно меньшей, чем половина других динамических потерь, вероятно, приведет к системе, которая будет плохо регулировать. Проектирование при перепаде давления регулирующей арматуры, которое значительно выше, приведет к излишне высокой расходуемой энергии насосом, и может вызвать проблемы с шумом и кавитацией.

Кавитация в регулирующей арматуре

Дросселируемый поток жидкости в регулирующей арматуре приводит либо к парообразованию, либо, что чаще, к кавитации. Необходимо ее избегать, потому что кавитация в регулирующей арматуре почти наверняка приведет к высокому уровню шума, быстрому и серьезному повреждению клапана. Классический подход, объясняющий явление дросселируемого потока, заключается в предположении, что поток увеличивается линейно с квадратным корнем падения давления ΔP, пока ΔP не достигнет дросселируемого перепада давления ΔPchoked, а затем сразу становится полностью дросселируемым без дальнейшего увеличения расхода (см. пунктирные линии на рисунке 1.22.). Также представлен расход в зависимости от квадратного корня падения давления в соответствии со стандартами размеров регулирующей арматуры ISA / IEC.

Рис. 1.21. Расход жидкости в зависимости от квадратного корня падения давления в регулирующей арматуре

В действительности существует определенное количество округлений на графике в точке ΔPchoked, как показано на рисунке 1.22. Это округление кривой потока прогнозирует кавитационные повреждения более тонко, чем просто сравнение действительного падения давления с рассчитанным перепадом дросселируемого давления, которое предполагает классическое рассмотрение о внезапном переходе между недросселируемым потоком и дросселируемым потоком. Оказывается, что и шум, и разрушение могут возникнуть еще до того, как падение давления достигнет ΔPchoked . На протяжении многих лет, то, что здесь называется ΔPchoked имело множество названий, потому что стандарты регулирующей арматуры ISA / IEC никак его не называло. С выпуском Стандарта-2012 впервые возникло название ΔPchoked».

Некоторые производители регулирующей арматуры прогнозируют возникновение кавитации путем определения начального повреждения, связанного с падением давления, которое иногда называют ΔPID, как показано в формуле на рисунке 1.21. Эти производители оценивают опыт фактического применения с кавитационными повреждениями и устанавливают то, что они считают значимым значением Kc для своей регулирующей арматуры. Один производитель, например, использует Kс для седельных клапанов, равные 0,7. Есть другие производители, которые, исходя из рекомендованной практики, ISA – RP75.23–1995, используют σ для обозначения различных уровней кавитации. Эти производители регулирующей арматуры публикуют значения, либо σmr (рекомендуемое производителем значение сигма) или σповреждения (σdamage).

Сигма определяется как «(P1 – Pv) / ΔP» σmr и Kс являются обратными величинами и, таким образом, передают ту же информацию. Высокие значения Kс перемещают точку начального повреждения ближе к ∆Pchoked, где более низкие значения σmr делают то же самое.

Хороший метод для прогнозирования кавитационных повреждений основан на том факте, что тот же элемент, который наносит ущерб, также вызывает шум, а именно схлопывание пузырьков пара. Идея корреляции шума с кавитационным повреждением получила свое начало в 1985. Ганс Бауманн опубликовал статью в журнале Chemical Engineering (Химической инженерии – www.chemengonline.com), где на основании некоторых тестов предельных повреждений, он установил максимальный уровень звукового давления, SPL, 85 дБА в качестве верхнего предела, чтобы избежать недопустимые уровни кавитационных повреждений в дисковых затворах.

Однако это зависит от применения. Так, по исследованию Джона Монсена, приведенного в журнале Flow Control, в некоторых случаях кавитационные повреждения были минимальными, а в других – чрезмерными. Заключением исследования было то, что можно предсказать, что ущерб будет в пределах допустимого, пока прогнозируемый уровень шума ниже предела, установленного в исследовании. В случае 4 и 6 дюймовых клапанов, пределом будет 85 дБА. Пределы SPL, установленные в исследовании (на основе расчетов шума с использованием VDMA 24422 1979), для избегания кавитационных повреждений таковы: для клапана не более 3 дюймов: 80 дБА; от 4 до 6 дюймов: 85 дБА; от 8 до 14 дюймов: 90 дБА; и 16 дюймов и больше: 95 дБА. Обратите внимание, что независимо от расчета шума, предполагая, что давление на выходе регулирующей арматуры больше, чем давление паров жидкости, фактическое падение давления должно быть меньше, чем перепад дросселируемого давления, потому что опыт показал, что работа над перепадом дросселируемого давления почти наверняка может привести к кавитации.

Следует отметить, что, хотя дросселируемый поток с газом не вызывает повреждения регулирующей арматуры, дросселируемый поток газа может привести к высокому уровню шума, но они будут обнаружены любой программой определения размеров регулирующей арматуры. Многие специалисты предупреждают об уровне аэродинамического шума выше 120 дБА (рассчитано с трубой по графику 40) из-за получающегося в результате высокого уровня вибрации внутри клапана.

1.6. Установленное усиление как критерий настройки регулирующей арматуры

Для того чтобы получить хорошее и стабильное качество регулирования во всём диапазоне требуемого расхода, необходимо использовать регулирующую арматуру, которая имеет линейную расходную характеристику, или таковую как можно ближе к линейной в большинстве систем. Это известно. Часто сложно сравнить качество регулирования двух клапанов с менее идеальными расходными характеристиками, просто изучая графики их расходных характеристик, но можно узнать больше о том, насколько хорошо они будут управлять конкретной системой, если изучить их установленное усиление (прим. в профессиональной литературе в РФ – коэффициент усиления).

Установленное усиление

График слева на рисунках 1.23 и 1.24 представляет собой предположительную расходную характеристику регулирующей арматуры, а график справа – соответствующее установленное усиление. Усиление устройства определяется как отношение изменения производительности (расхода) на соответствующее изменение пропускной способности. В случае регулирующей арматуры, производительность – это расход в системе (q), а потребляемая мощность – ход клапана (h) таким образом, его установленное усиление определяется как:

Усиление = Δq / Δh.

Графическая интерпретация установленного усиления – это наклон установленной характеристики расхода, а математическая интерпретация установленного усиления есть первая производная от характеристики установленного расхода.

Рис. 1.23. Установленная пропускная характеристика и установленное

усиление трех регулирующих клапанов

Рис. 1.24. Установленная пропускная характеристика и установленное усиление равнопроцентного клапана, установленного в системе со значительным количеством труб и / или других устройств, работающих под давлением.

Зеленая линия на графике слева на рисунке 1.23. представляет собой характеристику идеального линейного установленного расхода, где идеальная линейная установленная характеристика – это прямая линия, и изменения относительного хода клапана (Δh) влияют на равные изменения относительного расхода (Δq). На рисунке изменение положения клапана на 1% вызывает изменение расхода на 1 %. Поскольку наклон зеленой линии постоянен, то установленное усиление этого клапана также будет постоянным, и так как изменение положения на 1% вызывает изменение относительного расхода на 1 %, его установленное усиление будет равно 1, (усиление = 1% / 1% = 1,0). Так же, как зеленая линия на графике установленной характеристики представляет собой идеальную линейную установленную пропускную характеристику, зеленая линия на графике установленного усиления с постоянным значением 1,0 представляет идеальный установленный коэффициент усиления.

Невозможно получить точную идеальную установленную характеристику и установленное усиление, потому что:

1) реальные клапаны не имеют точный линейный или равный процент действительной пропускной характеристики;

2) взаимодействие между равным процентом действительной характеристики и характеристики системы не сокращают друг друга.

Тем не менее, каждый расчетчик стремится приблизиться к указанным показателям насколько это возможно. Вот почему идеальная линейная установленная характеристика и постоянное установленное усиление, равное 1,0, являются эталоном.

На рисунке 1.23 есть два других клапана с прямой линией пропускной характеристики. У одного очень крутой наклон, а у другой небольшой. Клапан с синим графиком, у которого установленная расходная характеристика имеет крутой наклон, очень чувствителен. Его график установленного усиления имеет постоянное, но большое значение.

Клапан с красным графиком, у которого установленная расходная характеристика имеет небольшой наклон, не очень чувствителен. (На рисунке показана только часть клапана, которая нас интересует). Его усиление изображено на графике в виде константы, но имеет небольшое значение.

Ни один из этих клапанов не будет хорошей регулирующей арматурой. Клапан с низким усилением не будет хорошей регулирующей арматурой, потому что, когда шток клапана движется, расход почти не меняется. Регулирующая арматура, которая, когда она движется, не изменяет расход, не такая уж и регулирующая. Клапан с крутым наклоном имеет очень высокий коэффициент усиления, и, следовательно, небольшие изменения в положении клапана вызывают очень большие изменения в расходе. Это менее очевидно, почему этот клапан не будет хорошей регулирующей арматурой. Когда две части (такие как шар и седло или ось клапана и сальник) соприкасаются друг с другом, они проявляют два вида трения. Когда части не двигаются, они, как правило, держатся вместе и трение высокое. Когда они движутся, трение становится намного ниже. Взаимодействие между статическим и динамическим трением затрудняет позиционирование клапана именно там, где он должен быть. Из определения усиления, изменение расхода равно произведению изменения положения на установленное усиление (Δq =Δh* Усиление). Если клапан с высоким усилением (установленное усиление которого равно 4) может позиционироваться только в 1%-ном приращении, наиболее точно этот расход можно было бы контролировать в 4%-ном приращении, которое может быть недостаточно точным.

Поняв значения установленного усиления, и то, как можно применить это понятие к равнопроцентному клапану в системе с большим количеством труб (и /или другие элементы, потребляющие давление), где установленная характеристика почти линейная, но слегка S-образная, как показано на левом графике рисунка 2? Пунктирные линии представляют предположительную идеальную линейную установленную характеристику и результирующий идеальный установленный коэффициент усиления с постоянным значением равному 1,0. Здесь форма графика установленной характеристики постоянно меняется, также как и ее наклон. Рассмотрим мгновенный наклон и, следовательно, установленное усиление в нескольких точках.

В точке 1 проведена касательная к установленной расходной характеристике, для представления мгновенного наклона установленной расходной характеристики (и, следовательно, установленное усиление) в точке 1. Эта касательная не такая крутая, как идеальная линейная установленная характеристика и, следовательно, усиление меньше идеального, равного 1,0. Точка была помещена на график установленного усиления (точка 1), который меньше идеального усиления равного 1,0.

В точке 2, если изобразить касательную к графику установленной характеристики, то она была бы параллельна идеальному линейному графику. Это означает, что в точке 2 мгновенное усиление составляет 1,0, а соответствующая точка 2 находится на графике установленного усиления при усилении 1,0. Если продолжить изображать касательные линии в точках 3, 4 и 5, то соответствующие точки 3, 4 и 5 на графике установленного усиления будут достигнуты.

Как правило, установленная характеристика и график установленного усиления равнопроцентного клапана в системах с большим количеством труб (и / или других элементов, потребляющая давление), что является наиболее распространенным случаем, будет иметь формы, аналогичные тем, что на рисунке 2, но не обязательно симметричные, как показано на рисунке.

Установленное усиление. Рекомендации

Ниже приведены рекомендации и правила, которые ПО подбора и выбора регулирующей арматуры Metso – Nelprof использует для определения подходящего размера и выбора клапана) для повышения усиления и ее вариации.

В пределах указанного диапазона урегулирования:

1. Усиление>0,5

2. Усиление<3.0

3. Усиление (max) / Усиление (min) <2.0

4. По возможности постоянное

5. По возможности близкое к 1,0

В пределах указанного диапазона регулирования (по определению, система не будет регулировать за пределами этого диапазона, поэтому не важно, что там происходит), то есть между минимальной и максимальной требуемой пропускной способностью, усиление не должно быть меньше 0,5 или больше чем 3,0. Важно помнить, что определение усиления – это изменение расхода, равное изменению положения клапана, умноженное на коэффициент усиления (Δq =Δh * Усиление). Если усиление слишком низкое, когда клапан движется, расход вряд ли изменится. Это означает, что клапан будет неэффективным в управлении расходом. Если усиление слишком велико, небольшие ошибки в положении клапана приведут к большим ошибкам в расходе, тем самым затрудняя или делая невозможным точное регулирование.

Как правило, если усиление изменяется не более, чем в соотношении 2 к 1, можно было бы подобрать один набор параметров настроек ПИД регулятора, и в результате получим хороший контроль и стабильность на протяжении всего диапазона необходимого расхода. Как только изменение усиления в пределах указанного диапазона расхода станет больше, будет сложнее настроить систему для стабильного и хорошего регулирования.

При выборе лучшего клапана из нескольких, которые отвечают первым трём критериям, следует рассмотреть критерии 4 и 5. Коэффициент усиления должен быть постоянным, насколько это возможно. Чем более постоянно усиление, тем более интенсивные настройки ПИД-регулятора могут быть использованы без опасности нестабильности. Усиление должно быть так же близко к 1, насколько это возможно. Обычно, при сравнении установленного усиления различных клапанов для того же применения, поскольку усиление становится более постоянным, он также приближается к 1.

Выбор лучшего клапана на основании установленного усиления

Существует программа определения размера регулирующего клапана, которая основана на базе данных действительных характеристик реальных клапанов, наряду с некоторой предоставленной пользователю информацией о том, как изменяется перепад давления в системе с расходом. Эта программа может рассчитать и построить график установленной характеристики расхода конкретного типа и размера клапана в конкретной системе. Далее программа рассчитывает первую производную от установленной пропускной характеристики и строит ее график установленного усиления. Для того чтобы программа определила модель процесса, как минимум две точки расхода (максимум и минимум требуемого расхода), требуются вместе с указанными значениями указать давление перед регулирующим клапаном P₁ и перепад давления на регулирующем клапане ΔP.

Используя это программное обеспечение, можно показать, как анализ установленного усиления может помочь выбрать лучшую регулирующую арматуру для конкретной системы. Демонстрация основывается на системе, показанной на рисунке 1.25. График на рисунке 1.25 показывает, как P₁, P₂ и ΔP изменяются в зависимости от расхода как по образцу программного обеспечения. Целью является выбрать клапан, чьё установленное усиление выполнит лучшую работу, отвечая рекомендациям выше. Для этого примера такие вещи, как предельный расход, шум и скорость не влияют на выбор, позволяя сосредоточиться на установленном усилении.

Рис. 1.25. Пример выбора лучшего клапана для управления конкретной системой

На рисунке 1.26 показана установленная пропускная характеристика двух клапанов, рассматриваемых для применения: 6-дюймовый сегментный шаровой кран и 3-дюймовый сегментный шаровой кран. Акцент был сделан на части графиков установленного расхода, которые находятся в указанном диапазоне расхода от 80 до 550 галл./ в мин. Так как сегментный шаровой клапан имеет собственную равнопроцентную пропускную способность, и, так как в системе, где падение давления на клапане уменьшается с увеличением расхода, не удивительно что установленная пропускная характеристика почти линейна (особенно внутри указанного диапазона расхода). Этот сгенерированный компьютером график показывает, насколько линейны установленные характеристики и насколько большой запас прочности на каждом конце требуемого диапазона расхода.

Тем не менее, так как вертикальная шкала упорядочена так, чтобы показать фактический расход, делённый на полностью открытый расход для каждого клапана, при сравнении нескольких клапанов для одного и того же применения, можно не заметить различий в величине наклона на графике и, следовательно, чувствительность к изменениям в положении клапана.

Рис. 1.26 Установленные пропускные характеристики 6 и 3- дюймовых сегментных шаровых кранов в системе, указанной на рисунке 1.25.

Если данные на рисунке 1.26 были нанесены на GPM шкале (галлоны в мин.), а не на расходе, делённом на полностью открытый расход, они будут выглядеть как на рисунке 1.27, где относительная величина наклона разных клапанов хорошо видна. Программа использует график, как на рисунке 5, где усиление рассчитано исходя из максимально необходимого расхода, qmax, то есть усиление = Δ (q / qmax) / Δh.

Обратите внимание, что этот график по шкале GPM не виден пользователю.

Рис. 1.27. Установленная пропускная характеристика клапанов из рис. 1.26

отображает истинные отношения между ее полностью открытой пропускной способностью и чувствительность к изменениям хода клапана

На рисунке 1.28 показано установленное усиление тех же двух клапанов.

Рис. 1.28. Установленное усиление 6 и 3 дюймовых сегментных шаровых кранов в системе из рис. 1.25.

Акцент также был сделан на части графика, которые находятся в указанном диапазоне расхода от 80 до 550 галлонов в мин. Проанализировав два графика, сразу ясно, что 3-дюймовый клапан – лучший вариант, так как он отвечает всем вышеперечисленным рекомендациям по установленному усилению, а 6-дюймовый клапан – нет. 6-дюймовый клапан имеет максимальное усиление около 3,5. Это означает, что в этот момент положение клапана с отклонением на 1% может вызвать ошибку расхода в 3,5%. Напротив, аналогичное положение 3-дюймового сегментного клапана с отклонением на 1% приведет к ошибке расхода в 2%. Изменение в усилении в пределах указанного диапазона расхода составляет около 2 к 1 для обоих клапанов. Усиление 3-дюймового клапана явно ближе к 1, чем 6-дюймового клапана. Если бы был проанализирован 4-дюймовый клапан, было бы установлено, что он лучше, чем 6-дюймовый клапан, но не так хорош, как 3-дюймовый клапан. Обратите внимание, что на графике усиления 1,0 на оси q / qmax будет всегда максимально необходимым расходом.

Примечание: программа не может отображать результаты для двух клапанов одновременно. Приведенные выше графики были получены путем объединения результатов двух графиков в один. При использовании программы подбора размеров, можно быстро пошагово просматривать графики для каждого из нескольких клапанов для удобства сравнения.

Модуль 2. Требования к проведению рсчетов и выбору регулирующей арматуры

2.1. Надежный расчет арматуры и критерии проведения расчетов

Если вам нужно рассчитать большое количество арматуры в одном проекте, то проблемы для всех участников будут высоки. Нехватка времени, задержки в передаче данных возникают всякий раз, когда происходит обмен информацией. Оперативные данные, которые подвергаются регулярным изменениям, плохая связь между заинтересованными сторонами проекта – все это создает немалый риск того, что будут допущены ошибки при выборе арматуры. В худшем случае результатом могут быть задержки на этапе ввода проекта в эксплуатацию или незапланированные простои, которые нарушают производство. Последующие затраты на неправильно подобранную арматуру могут легко возрасти в шесть или семь раз. Однако большинство потенциальных проблем может быть заранее обнаружено и устранено путем проведения непрерывного и всестороннего контроля с использованием подходящих программных средств.

Хотя предыстория каждого проекта весьма специфична, тем не менее есть несколько областей, которые можно обобщить. Типичный проект имеет, по крайней мере, три заинтересованных стороны, это: персонал предприятия, EPC контрактор и поставщик арматуры. Практически никогда не бывает, чтобы портфель одного производителя арматуры включал решения для удовлетворения всех требований.

Главная проблема здесь заключается в том, как быстро и надежно определить те 90-95% клапанов, которые должны удовлетворять только нормальным техническим требованиям, и могут быть оценены на основе общих критериев, таких как тип\вид арматуры, номинальный диаметр, значения пропускной способности Сv и соответствие бюджету. После решения этой задачи оставшееся время должно быть использовано для рассмотрения критических случаев, в которых особенности процесса регулирования могут иметь важное значение для качества управления технологическим процессом.

В результате неправильного выбора арматуры вскоре стоимость одного клапана в эксплуатации может возрасти в десять или двадцать раз. Это не редкость в проектах, когда на 5% от общей спецификации клапанов приходится до 40% стоимости от всех регулирующих клапанов. Кроме того, по большому счету, справедливый процент таких клапанов еще, как правило, не определен достаточно точно, чтобы иметь возможность указать бюджетную цену. Тем не менее, требование немедленного перерасчета и выбора оптимального решения все-таки являются критичными и для этих сложных участков регулирования, и получение недостающей информации является обязательным в виду сжатых сроков проектов.

Как только производители арматуры получают контракт (обычно по фиксированной стоимости), все начинается сначала – каждый клапан должен быть рассчитан заново, на этот раз детально. Ситуация часто может кардинально измениться на этом этапе, поскольку, как правило, данные процесса являются лишь предварительными на момент запроса котировок и вполне могут не стать окончательными до тех пор, пока проект не будет фактически введен в эксплуатацию. Поправки к первоначальной спецификации также являются обычным делом на протяжении всего проекта.

EPC контрактор – этот "нервный центр" проекта – играет центральную роль в процессе инжиниринга и реализации проекта. EPC контракторы должны быть в состоянии проверить решение путем сравнения характеристик рассчитанных и выбранных клапанов для нескольких своих технологических отделов. Еще раз необходимость и способность определить критические клапаны будет весьма актуальной, потому что эти специальные клапаны будут иметь более длинные сроки поставки по сравнению со стандартными клапанами из-за специальных расходных характеристик, особенностей настройки позиционеров, специальных материалов и пр. Поэтому они всегда должны находиться в верхней части списка дел проекта.

Представители предприятия или заказчика (клиенты, которые ведут проект) очень хорошо осведомлены об этих проблемах. Они пытаются выявить потенциальные проблемы на раннем этапе с помощью различных механизмов контроля, чтобы можно было принять соответствующие меры. Однако их успех часто ограничен из-за нехватки ресурсов. Как правило, это всего один инженер на весь проект, который имеет время только для проверки случайных выборок. К тому же он, как правило, отвечает не только за клапаны, а также не имеет адекватных программных средств.

Хотя более чем обычной реакцией является то, когда просто утверждают: “это так, ведь это проект", но в то же время это не является ответом. Проблемные области должны быть как можно скорее однозначно определены, а также найдены рациональные и работоспособные на практике решения по их устранению.

Одной из конкретных проблем, от решения которой зависит многое другое, является обмен информацией. Любой, кто наивно полагает, что, в конце концов, EPC контракторы работают с САЕ системами, или, что спецификации клапанов стандартизированы по IEC или ISA – и, возможно, даже цитируют такие стандарты, как PROLIST, NE-100, eClass, IEC 61360 и ISO 13584, почти наверняка никогда не имел с этим реальных дел.

Дело в том, что "электронный обмен данными" часто оказывается сканированием листов спецификаций, которые были изменены для целей конкретного проекта, и теперь должны быть введены "вручную". При этом частота ошибок достигает от 5 до 10%, что характерно, когда такого рода задачи должны быть завершены под давлением срока представления предложения. При необходимости процесс повторяется снова и снова, каждый раз, когда данные пересматриваются.

На втором этапе клапаны должны быть рассчитаны в соответствии с последними стандартами, и подходящая номенклатура от соответствующих производителей затем указывается в спецификации. То, что на практике означает "подходящий", должно быть определено с использованием четко определенных критериев качества регулирования по требуемым задачам регулирования, а также эталона рисков потери надежности регулирования. То же самое относится и к тем случаям, когда расчет клапанов проверяется EPC контрактором или инженером предприятия, ответственным за контроль качества.

Как результат нашего рассмотрения, можно сказать, что высокоскоростной, но безошибочный обмен данными между участниками проекта имеет первостепенное значение.

Если, таким образом, процесс разбивается на две основные задачи: "высокоскоростной обмен данными" и объективная, сопоставимая оценка надежности решения по выбору арматуры, то можно разработать прагматический подход, с помощью которого другие проблемы, такие как временное давление и стопроцентный контроль качества (а не просто случайные выборки), могут быть более эффективно решены.

Что касается формата данных, то можно с уверенностью предположить, что все заинтересованные стороны знакомы с Excel и что они способны создавать и считывать данные и обновления данных в формате Excel. Формат обычно определяется EPC контрактором (технологом или инженером процесса (process engineer)), который создает исходные данные процесса для компьютерной оболочки, используемой в запросе котировок; постоянные обновления также поступают из этого же источника. Все, что здесь имеет значение, – это то, что соглашение будет достигнуто, по крайней мере, в согласованном формате на протяжении всей жизни проекта. Независимо от того, как он выглядит, он должен содержать всю информацию, необходимую для расчета.

Когда дело доходит до независимого от поставщика проведения расчета, выбора и оценки решений для клапанов, необходимо использовать соответствующие независимые программы. Такие программы есть. Например, таким инструментом может быть программное обеспечение выбора арматуры для проектов CONVAL от компании F.I.R.S.T Gmbh. Она не только позволяет рассчитать арматуру от любого изготовителя, она также включает индекс надежности "Ri", который позволяет оценить потенциальные проблемы с выбранными клапанами для данного процесса. В дополнение к анализу причин, программное обеспечение также предоставляет рекомендации по их устранению.

Конечно, не каждый производитель клапанов использует подобные программы. В частности, лидеры рынка арматуры почти всегда разрабатывали собственные программные средства для расчета собственных клапанов. Однако большинство этих инструментов также поддерживают обмен данными с Excel.

Заключительная задача состоит в том, чтобы согласовать все эти аспекты друг с другом – массивные данные из Excel от EPC контрактора или производителя клапанов, с одной стороны, и расчеты и анализ надежности – с другой.

Как упоминалось ранее, структуры данных почти никогда не оказываются абсолютно идентичными, даже если все доступно в Excel (Рис.2.1).

Рис. 2.1. Окно исходного материала проекта

Для того чтобы гарантировать здесь сопрягаемость данных, компании разрабатывают специализированные программные инструменты – адаптеры. Они позволяют обрабатывать, читать и сопрягать данные по клапанам с разнородными структурами.

После того, как эта информация была сопоставлена со структурой технологических данных EPC контрактора, предварительный анализ может быть произведен в течение нескольких минут. Затем необходимо рассмотреть различные вопросы:

1. Подходят ли типы клапанов, номинальные диаметры и пр., указанные EPC контрактором для этой задачи?

2. Какие позиции (теги) могут вызвать проблемы?

3. Каковы критические участки установки и применения арматуры?

4. Какие клапаны должны быть подробно рассмотрены и детализированы на ранней стадии?

Какие из них можно изготавливать уже на бюджетной стадии?

Результаты типичного первого прогона спецификации показаны на рис. 2.2.

Рис.2.2. Данные анализа арматурной спецификации крупного проекта

Из рис. 2.2. видно, что 28 % рассчитанных клапанов не могут быть поставлены по ряду причин. Сразу понятно, где необходима дальнейшая консультация. Благодаря классификации по категориям надежности (Ri), можно сразу увидеть (см. рис.2.3), что 72% всех рассчитанных клапанов могут быть указаны в бюджете без каких-либо проблем в соответствии со спецификацией EPC контрактора.

Рис.2.3. Оценка надежности арматуры по критерию Ri (CONVAL)

Программа быстро покажет, какие позиции (теги) являются рабочими, а какие требуют дополнительного разъяснения. Модифицированные данные от EPC контрактора вводятся в программы-адаптеры таким же образом, как и новые ревизии проектных спецификаций. Таким образом, новая информация может быть обновлена и проверена, как только она будет доступна.

Детальный вид окна может быть легко отображен в любое время; номера тегов могут быть отмечены в обзоре и открыты в программе для проведения точного анализа.

Эта же процедура может быть применена и к данным расчета, предоставляемым производителем. Проблемы общего характера или аномалии, такие как "тип клапана, выбранный производителем, не соответствует типу, указанному в спецификации EPC контрактора", могут быть легко обнаружены, и программное обеспечение предоставит предложения по выбору клапана, который лучше подходит (Рис. 2.4).

Рис.2.4. Вид окна в программе CONVAL по проблемной позиции

Конечно, никто не будет подвергать сомнению способность поставщиков клапанов правильно определять размер своей собственной продукции. Однако из-за пробелов обработке информации, возникающих при обмене данных ("ручная передача данных"), или неучет критических позиций, риск включения в спецификации неправильно рассчитанных клапанов возрастает с каждой ошибкой в передаваемых данных. Временное и финансовое давление лишь усугубляют ситуацию.

Принцип, в соответствии с которым все данные, относящиеся к клапанам, управляются из центральной точки, которая "заботится" обо всем – от проверки достоверности через отслеживание изменений в случае пересмотра данных до анализа надежности – имеет одно большое преимущество – это время, сэкономленное таким образом за счет эффективной обработки массива данных и статистических оценок. Вместе с ясной картиной критичности конкретных участков технологии и предлагаемых клапанов, значительно облегчается фокусирование внимания конкретно на выявленных потенциальных проблемах.

Применимость этой методики очевидна. Анализ проведенных разными компаниями проектов действительно показывает, что однозначно выявляются случаи, когда проблемы неправильного выбора арматуры действительно имели место на практике и могли быть решены на ранних стадиях разработки проектной спецификации.

Очевидно, что есть еще много аспектов, таких как условия пуска, качество контроля, расчет жизненного цикла, учет энергосбережения при работе арматуры и множество других, которые также необходимо учитывать. Благодаря концепции надежности расчета их теперь можно рассматривать как будущее подходов дальнейшей оптимизации процесса выбора арматуры. С развитием этих подходов появятся и обслуживающие их современные программные средства.

2.2. Ключевые показатели эффективности расчетов

Начнем с примера. Современный ЦБК – это 4000 регулирующих клапанов, до 10.000 единиц автоматической арматуры, составляющих общий пул до 30.000 единиц арматуры. Все они должны быть точно рассчитаны и поставлены точно в срок. При запуске нового предприятия часто требуется реинжиниринг и замена регулирующих клапанов на критических участках. Это может привести к длительным задержкам пуска предприятия и значительным эксплуатационным потерям, как в самом начале его эксплуатации, так и в процессе всего жизненного цикла оборудования.

ВНЕПРОЦЕССНЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

Применение новых принципов оценки надежности для “Внепроцессного контроля качества" (NPQC) прокладывает путь к значительному повышению качества в выборе клапанов, снижению стоимости устанавливаемой арматуры и уменьшения проблем, связанных с арматурой для персонала предприятий при очень привлекательном соотношении затрат и выгод на спецификацию арматуры.

Традиционно, критичными участками эксплуатации для работы арматуры называют те из них, где регулирование или управление процессом сильно затруднено. Это участки с пенообразованием, газовыделением, противопомпажные системы, редукционные клапаны и пр. На них, как правило, устанавливают специальную арматуру.

Отдельным блоком выступают критические участки установки регулирующей арматуры, где недостаточная точность регулирования приводит к большим отклонениям и значительной колебательности процесса.

Приведем пример.

«Комбинат Kruger Waygamatik, Канада имеет следующие показатели:

– Новая бумагоделательная машина для выпуска легкомелованных видов бумаг.

– Коммуникации, основанные на HART протоколе.

– Основная система управления – Metso DNA

– Основное обеспечение – Metso Automation, (регулирующие и отсечные клапаны, датчики концентрации и анализаторы), АВВ – датчики температуры, давления и расхода, Е+Н – расходомеры, Vega – регуляторы давления, Rosemount (управление температурой и давлением от HART DTM).

Клапан подачи осветленной воды обычно способен устранять малые вариации и отклонения от заданного перемещения до 0,8%. Отклонение до 0,8% обычно не так важно, но в этом случае оно имело очень большой эффект на вес м2 бумаги. После выбора клапана с лучшей равнопроцентной характеристикой и его перерасчета, включения в спецификацию цифрового позиционера с возможностью самодиагностики и увеличения надежности измерений отклонение перемещения от заданного было уменьшено до 0,3% и вариации веса м2 были соответственно уменьшены. Для этого клапана было достигнуто значение тревожного сигнала при отклонении перемещения от заданного на величине не более 0,3%.»

(По данным компании Metso Automation)

Как можно видеть из приведенного примера, надежное и, в то же время, недорогое решение было достигнуто при помощи совершенствования расходной характеристики клапана и соответствующего выравнивания коэффициента усиления, но не применения сверхточной и потому дорогой специальной арматуры.

Одной из существенных проблем является то, что количество дорогой арматуры, поставляемой для критичных условий эксплуатации, приводит к неоправданному росту стоимости проекта. Так, глядя на влияние выбранных по проекту клапанов на дополнительные затраты по запуску предприятия или технологической установки, можно увидеть некоторые закономерности. Количество клапанов, работающих не должным образом во время запуска или вскоре после него, и приводящих к задержкам пуска или простоям, составляют, по данным компании F.I.R.S.T Gmbh от 3-х до 6%, в зависимости от процесса. Как правило, это касается критичных участков эксплуатации, и здесь устанавливают наиболее серьезные и дорогие клапаны. Их обычно называют клапанами "с высокими эксплуатационными характеристиками для критических применений” (в общепринятой терминологии High Performance Valves). Их процент в общей стоимости приобретаемых клапанов может составлять до 40%, как это показано на рис.2.5.

Рис. 2.5. Доля поставленной арматуры для критичных условий эксплуатации в проекте нефтехимического завода в Китае.

а) – по количеству; б) – по стоимости

Поэтому имеет смысл выявить их как можно раньше. Если выделить немного больше времени на их тщательный выбор, то это может сэкономить во много раз больше средств, чем нести затраты при устранении неполадок во время эксплуатации.

Эта проблема рождает ряд задач, решение которых позволит резко сократить долю слишком дорогих клапанов без снижения надежности работы технологических линий. Основой этого является анализ проектов и использование сильного программного обеспечения, учитывающего разнообразие возможностей применения арматуры различных классов. К такому программному обеспечению можно отнести программу расчета и выбора клапанов CONVAL компании F.I.R.S.T.Gmbh.

Анализ проектных спецификаций за длительный срок и оценка применяемости клапанов для критических условий эксплуатации показывает, что их использование весьма редко и не всегда их использование оправдано в проектах, где, казалось бы, их роль была бы незаменимой. Еще одним известным фактором является субъективность выбора арматуры поставщиками в зависимости от наработанных связей с субподрядчиками по проекту.

КРИТЕРИЙ KPI

Чтобы устранить проблему субъективности выбора арматуры, и в значительной степени снизить стоимость проектных спецификаций, предлагается использовать метод, учитывающий указанные выше особенности формирования проектных спецификаций.

Суть метода состоит в выборе арматуры с учетом разнообразных условий ее работы на основе ключевых показателей эффективности (KPI). В расчет принимаются все основные факторы, влияющие на надежность, чтобы рассчитать KPI. Есть общие параметры, такие как перепад давления, преобразование энергии, уровень шума, расход на выходе, скорость потока и тип клапана, которые должны быть приняты во внимание, а также такие нежелательные эффекты, как кавитация, вспенивание или дросселирование потока. Свойства жидкости также чрезвычайно важны, поскольку есть, например, большая разница, есть ли у вас насыщенный или влажный пар или перегретый пар; или требуется проверить, насколько близко находится давление на входе к критическому давлению пара.

KPI основан на индексе надежности (Ri), который представляет собой показатель, дающий рейтинг надежности для любой заданной рабочей точки, где установлен клапан. Индекс Ri необходим, чтобы окончательно обработать информацию по процессу, и получить KPI для всех известных условий процесса: нормальная работа (мин, норма, макс), пуск или специальный режим. Ниже поясняется диапазон значений индекса надежности Ri.

Если Ri > 0, система выдает дополнительную информацию о первопричине проблем и подсказывает, как повысить надежность арматуры для заданных эксплуатационных условий.

Смысл расчета заключается в том, чтобы при анализе применимости арматуры, имея только условия процесса, рассчитать KPI для оценки надежности клапана в заданных сценариях. Эти сценарии должны охватывать весь спектр технологических операций по процессу. При расчете нужно получить процессные данные для клапанов и определить KPI для всех режимов работы. Единственное, в чем нужно убедиться, это то, что будет точно выбран клапан с KPI > 0,1.

После того, как информация была сопоставлена со структурой технологических данных EPC контрактора, может быть проведен анализ. Затем рассматриваются различные вопросы:

– Подходят ли типы клапанов, номинальные диаметры и пр., указанные EPC контрактором для этой задачи?

– Какие позиции (теги) могут вызвать проблемы?

– Каковы критические участки применений?

– Какие клапаны должны быть подробно рассмотрены и детализированы на ранней стадии?

– Какие из них можно изготавливать уже на бюджетной стадии?

Результаты типичного первого прогона спецификации показаны на рисунке 2.6.

Рис.2.6. Окно анализа арматурной спецификации крупного проекта в программе CONVAL

Из рис.2.6. видно, что 28 % рассчитанных клапанов не могут быть поставлены по ряду причин. Сразу понятно, где необходима дальнейшая консультация. Благодаря классификации по категориям надежности (Ri), можно сразу увидеть, что 73% всех рассчитанных клапанов могут быть указаны в бюджете без каких-либо проблем в соответствии со спецификацией EPC контрактора.

Метод KPI может быть использован для быстрого обнаружения критичных участков с действительно тяжелыми условиями работы арматуры из большого набора позиций спецификации в крупномасштабных проектах. Кроме того, это легко позволяет прогнозировать влияние изменения условий процесса, что также не редкость при пуске и вводе технологических линий в эксплуатацию. Это также, наконец, позволяет доказать подходят ли все выбранные клапаны в проекте для применения в данном процессе, исходя из их описания, каталожных данных и данных эксплуатации. При этом список вариантов использования можно легко расширить до сценариев ситуаций на действующем предприятии (устранение неполадок, реконструкция, расшивка узких мест).

Хотя KPI кажется простым критерием, однако, при выполнении проектов, следующих описанному подходу, есть много различных аспектов и проблем, делающих практическое применение KPI сложной задачей. Они могут быть как ожидаемые, так и неожиданные.

В реальных проектах данные по процессу получают непосредственно из средств, используемых при проектировании технологических процессов, контрольно-измерительных приборов и материалов поставщиков арматуры, как правило, в форматах Excel или XML. Но наиболее частой проблемой оказывается, что информация не соответствует действительности. Важные данные для критических участков, т.е. особые случаи обычно обнаруживаются как несоответствия и нестыковки, как замечания и комментарии к пояснительным запискам проектов. Это, в основном, неструктурированная информация, которую нелегко интерпретировать и, тем более, формализовать для перевода в рассчитываемые показатели.

Данные по трудностям, возникающим при пуске, вспенивании, дегазации и продувке, наиболее часто указываются в примечаниях. При этом они не переводятся в форму спецификаций, и далее не находят отражения в предложениях поставщиков арматуры.

Решением является выделение этих важных данных отдельно от основной спецификации при разработке процесса, что позволяет обеспечивать завершенность и надежность расчетов, и их корректировки, и, соответственно, выбранного инструментария и арматуры.

Когда, наконец, все данные импортируются с помощью адаптера (средств ПО, позволяющих импортировать данные процесса, в спецификацию, а также расчеты поставщиков), дальнейшие проблемы значительно снижаются.

Обсуждая результаты, можно столкнуться с тем, что не все вовлеченные стороны имеют один и тот же уровень понимания и знаний о проблеме. Когда речь заходит, например, о прогнозировании шума (производимый шум может быть индикатором для проблем надежности), необходимо использовать самые последние стандарты для того чтобы предсказать шум в жидкости, газе и при применении пара. Однако поставщики или EPC контракторы зачастую могут использовать ориентировочные расчеты или устаревшие стандарты.

Также проблемы может вызывать интерпретация полученного KPI. Например, при выводе KPI необходимо рассматривать скорость потока на выходе (на фланце выхода клапана), тогда как некоторые поставщики арматуры относят скорость к диаметру трубы на выходе, игнорируя сужения соединительных деталей трубопроводов. Также они могут не учитывать несоответствие правил, применяемых к ограничениям скорости для газа и пара. Алгоритм KPI имеет значение 0.3 М (М – значение скорости звука данной среды) в виде первой критической точки, тогда как некоторые EPC контракторы используют значение 0.5 М.

Также полнота и доступность данных об арматуре производителя имеют решающее значение для хороших результатов расчета. Получение самых последних данных для факторов клапана, таких как xFz (поведение при кавитации), FL² (дросселирование потока для жидкостей) или хT (дросселированный поток для газов и пара) является проблемой само по себе.

В некоторых редких случаях KPI неприменим. Это случаи, когда клапан был сконструирован как специальный, и не мог быть смоделирован по имеющимся стандартам, или имеется недостаточно информации, или информация о нем не была раскрыта поставщиком для его расчета должным образом.

Кроме технических вопросов на первый план выступает проблема, общая для всех проектов – коммуникация и координация в общем процессе инжиниринга. У вас есть, по крайней мере, три стороны, которые выполняют проект. Как правило, все стороны имеют свои интересы и не привыкли использовать в разработке проекта и технологической схемы процесс, позволяющий использовать KPI в качестве центрального элемента управления качеством (Рис. 2.7).

Рис.2.7. KPI, как центральное звено управления выбором регулирующих клапанов.

Заметим, что такая ситуация наиболее распространена, и ее невозможно предотвратить по объективным причинам.

Можно сказать, что отсутствует доказанная передовая практика обеспечения качества в расчете диаметров арматуры и выборе регулирующей арматуры для критических участков технологии в крупномасштабных проектах. Наиболее часто встречаются ситуации, когда данные уже после расчета все еще изменялись, в то время как клапан был уже заказан. Проблемой также является отсутствие общего языка данных для проработки спецификации и выбора определенных данных.

Но если удается обнаружить такие случаи, то лучше проверить влияние на расчет и выбор неудовлетворительного клапана, и принять меры к перерасчету арматуры, если это необходимо, вместо того, чтобы столкнуться с проблемами во время пуска. Тогда Вы делаете следующий шаг к более высокому качеству инжиниринга.

Расчет коэффициента затрат (BCR), при сравнении стоимости, охвата и экономии от обычной процедуры контроля качества (обычно осуществляемого собственником или оператором предприятия) со стоимостью, охватом и потенциальной экономией, даваемой при использовании KPI, основанным на качественном контроле, показывает, что достигается типичный BCR в диапазоне от 30 до 100 (даже не принимая в расчет потери производства).

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА KPI

Общий алгоритм расчета KPI показан ниже. В качестве исходных данных принимается спецификация арматуры проекта.

Алгоритм расчета KPI

1. Разработка критериев

2. «Прогон» спецификации

3. Определение клапанов, удовлетворяющим стандартам и критериям надежности

4. Выделение критических участков регулирования

5. Выделение проблемных и специальных участков в отдельную спецификацию

6. Устранение проблем, связанных с критическими условиями регулирования.

На основании полученных данных по расчету KPI формируется общее представление о качестве проектной спецификации и дорабатываются сложные участки до достаточного уровня регулирования. Общая схема проведения анализа по алгоритму представлена на рис.2.8.

Рис. 2.8. Алгоритм расчета KPI

Уроки, извлеченные из реальных проектов, помогут в дальнейшем сформировать режимы работы арматуры так, чтобы стать более эффективными для будущих проектов. Это приведет к повышению эффективности отдачи от инвестиций в крупномасштабных проектах и стать достаточно привлекательными, чтобы полноценно использовать KPI в качестве центрального элемента контроля качества для калибровки и выбора клапанов.

В заключение следует отметить, что, несмотря на трудности применения ключевых индикаторов эффективности KPI арматуры в крупномасштабных капитальных проектах, связанные с согласованием их с производителями клапанов, EPC контракторами и конечными пользователями, полученные возможные выгоды значительно превысят возможные сложности при внедрении. Насыщая программное обеспечение другими расчетными подпрограммами, такими, например, как подпрограмма расчета энергосбережения арматуры, уже на предварительном этапе можно значительно повысить технико-экономические показатели проектов. По всей видимости, это дело ближайшего будущего.

2.3. Выбор арматуры по критерию качества регулирования

Рабочие точки являются частью статической характеристики системы

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

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

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

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

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

Большое значение для характеристики статической системы имеет логическая корреляция кривых входного и выходного давлений от qmin до qnorm и qmax.

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

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

Табл.2.1. Данные по примеру 1.

На рис. 2.9. представлены результаты расчета.

Рис. 2.9. Результаты расчета в программе CONVAL

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

Табл. 2.2. Данные по примеру 2.

Результаты расчета представлены на рис. 2.10.

Рис.2.10. Результаты расчета в программе CONVAL

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

Рис. 2.11. Результаты расчета в программе CONVAL

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

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

Рис. 2.12. Расчет звукового давления по программе CONVAL

Две красные линии – это заданные точки для антипомпажного регулирования.

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

которые расположены слева направо:

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

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

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

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

Авторитет клапана (Δp/Δp₀) – va

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

Определение

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

Правила проектирования и расчета

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

Если не указано иное, то должно применяться следующее:

* Клапан должен быть рассчитан на 110% расчетного расхода Qop1, чтобы обеспечить возможность регулирования при Qop1.

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

• Чтобы избежать чрезмерных колебаний коэффициента усиления контура, показатель авторитета регулирующего клапана при расчетных условиях v a, op1 должен быть больше 0,27.

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

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

• va = Δp₁₀₀/Δp₀ = 1

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

• 1 > va = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0.3

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

• 0,3 > va = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0,1

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

• 0,1 > va = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0,0

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

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

Графическая интерпретация

Низкая способность к регулированию клапана

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

• низкий запас расхода a: Qop1 > 0,9 Q ₁₀₀

• низкий авторитет клапана v a: v a, op1 < 0.23

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

Рис.2.13. Определение регулирующей способности в программе CONVAL

Вывод значений

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

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

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.