Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в энергетике»

ПОРЯДОК ВЫБОРА КЛАПАНОВ ДЛЯ КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

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

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

2. Клапаны для этих контуров рассчитываются по специализированной программе расчета типа CONVAL или NELPROF (Metso Automation).

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

ТИПОВЫЕ СРЕДЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ. ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

Выбор регулирующих клапанов для многофазных потоков не является такой же хорошо проработанной и легкой задачей как расчет и выбор клапанов для однофазных потоков. Расчет регулирующих клапанов для чистых жидкостей или потока газа может быть сделан с использованием стандартных расчетных формул, основанных на динамике потока и относительных коэффициентов, применяемых при выборе клапана.

Когда регулирующий клапан рассчитывается для двухфазного потока, которым обычно является смесь жидкости и пара, не существует общепринятых методов, которые бы достоверно решали бы эту задачу. Это связано с тем, что двухфазный поток не может быть описан в одно и тоже время математически просто и без погрешностей. Также при экспериментальных исследованиях требуется провести множество испытаний с различными видами процентных композиций и фракций по весу, с использованием различных типов клапанов. Невозможно рассчитывать клапан для многофазного потока с той же точностью, как и для однофазных потоков.

Многое зависит и от испытательной базы компании – производителя клапанов, его опыта работы в отрасли. К примеру, для получения достоверных результатов компанией METSO AUTOMATION проведено множество исследований по определению поведения потоков многофазных смесей, включая пароконденсатные смеси при их прохождении через регулирующие клапаны. В качестве результата были выведены методы расчета и выбора клапанов для многофазных потоков, применимые ко всем видами клапанов с поворотным затвором, производимых Mетсо.

Расчет двухфазного потока

Метод основан на теории гомогенного потока, который допускает, что жидкость и пар движутся с одинаковой скоростью и гомогенно смешаны. Метод может быть применен в следующих 2-х случаях двухфазного потока:

– одно вещество – 2-х фазный поток, т.е. например, вода и пар,

– два вещества – например, вода и воздух.

Теория гомогенного потока основана на усреднении свойств, таких как плотность и скорость двухфазной смеси. После того, как свойства двухфазной смеси были усреднены и определены, клапан рассчитывается при помощи уравнений, близких к стандартным формулам для однофазного потока.

Плотность двухфазного потока вычисляется при использовании отдельных плотностей для двух фаз на стороне повышенного давления клапана. К тому же в расчет принимается расширение пара, когда он проходит через клапан. Плотность смеси, так называемая эффективная плотность, формулируется в уравнении. В уравнении учитываются следующие факторы, оказывающие влияние:

– доля расхода пара по весу от полного весового расхода,

– доля расхода жидкости по весу от полного весового расхода,

– плотность жидкой фазы на стороне входа в клапан,

– плотность паровой фазы на стороне входа в клапан,

– фактор расширения пара.

Производительность для дросселируемого двухфазного потока описывается также зависимостями, зависящими от следующих параметров:

– полного расхода смеси по массе

– фактора геометрии труб

– расходной характеристики клапана

– эффективной плотности

– характеристики падения давления по клапану.

Дросселируемый поток

Экспериментальное изучение дросселируемого двухфазного потока трудноопределимо, и это не позволяет дать точные данные по падению давлений. При расчете регулирующих клапанов аппроксимация падения давления смеси производится по аппроксимации доли падения давления чистой жидкости и чистого пара. Чистый паровой поток дросселируется, когда падение давления достигает определенной величины.

В случае, когда вся жидкость находится в жидком виде, дросселирование начинается, когда давление падает ниже критического значения. Когда малая доля пара добавляется в поток, то изменяется дифференциал давления, характерный для дросселирования, но он будет близок к обычному критическому давлению. Увеличение доли пара еще более изменяет критическую величину падения давления, что приводит к большему дросселированию, но не ясно, как это происходит в регулирующих клапанах.

В конце, когда вся жидкость находится в паровой фазе, дросселирование начинается с падения давления по другой закономерности. В компании Метсо были проведены теоретические вычисления и испытания потока, чтобы определить критические давления для идеальных сопел. Эти результаты показывают, что линейные зависимости между критическим падением давления в жидкой и газообразной фазе в качестве доли от процентного соотношения доли пара по весу хорошо описывают критическое падение давления в дросселируемом двухфазном потоке с достаточной точностью и могут быть сведены в уравнения.

Когда действительное падение давления превышает значение по специальным уравнениям, двухфазный поток должен рассматриваться как дросселируемый поток и падение давления используется в уравнении расчета клапана чтобы вычислить фактор расширения пара. Минимальное значение фактора составляет примерно 0,667.

Точность и погрешности расчета

Из-за особенностей двухфазного потока жидкости и газа невозможно описать различные адекватные возможные формы потока простыми математическими формулами. Методы расчета основываются на так называемой теории гомогенного потока, который допускает, что скорости жидкости и газа одинаковы, и что они полностью перемешаны. Это наиболее частый тип потока. Можно считать, что описанный метод можно применять при расчетах многих 2-х фазных потоков.

Точность расчета уменьшается, если форма потока отклоняется от описанного типа. В трубах возможны следующие формы потока:

– пузырькового типа – когда жидкая, паровая и газовая фазы разделены на пузырьки и жидкости, пузырьки имеют скорость как у жидкости,

– пробкового типа – когда количество газа возрастает, пузырьки образуют пробки,

– взболтанного типа – когда количество газа еще больше возрастает, пробки и затычки разрушаются, что приводит к очень нестабильной форме потока,

– кольцеобразного типа – когда жидкость течет как тонкая пленка вдоль стенки трубы и газ течет при высокой скорости в середине,

– течение слоистого типа – когда в горизонтальной трубе фазы перемещаются слоями отделенными один от другого, благодаря силе тяжести. Когда скорость газа увеличивается, то на поверхности жидкости образуются волны.

– туманно-капелькового типа – когда почти вся жидкость находится в состоянии капелек, формируя туман и двигаясь вместе с газом.

Изменения в состоянии жидкости и пара, испарение жидкости или конденсация пара в жидкость делают вычисления доли, веса и эффективной плотности весьма затруднительными.