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

ТОЧНОСТЬ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ В СОСТАВЕ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ

К сожалению, до сих пор задача обоснования точности контуров недостаточно освещена в литературе и проработана. В связи с этим в предлагаемом материале делается попытка показать связь между точностью регулирующего клапана, точностью контура и накоплением погрешности в процессе эксплуатации. При этом необходимо учитывать взаимосвязь между контурами, научиться просчитывать накопление ошибок регулирования и возможность их снижения уже на этапе проектирования. Специалисты до сих пор не умеют считать заданные погрешности по контурам с точностью, требуемой по технологическому процессу.

Таким образом, при поставке оборудования, в проектные решения закладываются исходные данные по оборудованию без просчета возможностей повышения точности процесса. Сам процесс на этапе проектирования, как правило, не оптимизируется по критерию снижения погрешности регулирования. В то же время, такие расчеты позволили бы уже на этапе проектирования выявить критические контуры регулирования и дать по ним более эффективные решения с повышением стабильности, точности и качества технологического процесса.

В типичном контуре (объект управления – сенсор – логический элемент (задатчик)– исполнительный механизм – регулирующий орган (клапан)) главным источником погрешности по определению является регулирующий клапан. Это становится очевидным при рассмотрении степени задаваемой погрешности датчиками при сравнении со степенью отработки сигнала регулирующим клапаном. И действительно, по здравому смыслу, точность «инструмента» (датчика или сенсора) должна быть всегда выше точности «обрабатываемого изделия» (в нашем случае регулирующего клапана).

В этих материалах мы попытаемся обосновать необходимость проведения таких расчетов и оптимизации, как уже действующего производства, так и при проектировании.

ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ТОЧНОСТИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

Обычно, когда метрологи и технологи говорят о процессе, то подчеркивается важность экспериментального опробования, плотных испытаний, накопления статистических данных по результатам первичной эксплуатации. Это важно потому, что при переходных условиях или, пока еще процесс не стабилизировался и не вышел на режим, то говорить о возможности оптимизации не приходится. Для разрешения ситуации говорят о возможных погрешностях на основе прошлого опыта. Например, по опыту выделяют критические контуры регулирования и оценивают их с точки зрения вероятности изменения и замены регулирующих органов на более точные. Для энергетики проблема осложняется еще и тем, что сами контуры регулирования по критерию критичности могут быть не только связаны с качеством выходных характеристик, но и с поддержанием множества вспомогательных, дополнительных или косвенных характеристик. Также должны учитываться показатели надежности, долговечности и долговременной точности регулирования, которую по-другому можно назвать метрологической надежностью. Регулирующие клапаны, обладая рядом метрологических характеристик, таких как статическое и динамическое отклонение, мертвая зона и др., должны рассчитываться на точность регулирования в регулирующем контуре.

В тепловых процессах, также как и всех химических и гидромеханических процессах, действуют множество факторов. Сложность их взаимодействия приводит к традиционному взгляду, что оценить точность регулирования невозможно. Но есть ряд приборов и инструментов, которые позволяют снять значительную часть неопределенности и перевести ее в более структуризованные и измеряемые формы процесса, как за счет автоматических анализаторов, так и специальных приборов. Например, при оценке пульсаций можно эффективно использовать вибродиагностические приборы. Благодаря математическому аппарату, заложенному в них, они разлагают спектр пульсаций в ряды Фурье, после чего появляется ясная возможность сравнивать их с пульсациями, задаваемыми конкретными узлами. Например, самые большие пульсации могут задавать насосы. А среди рассматриваемых узлов, задающих пульсации, могут выступать и вакуумные системы, и вибрация трубопроводов, и колебания расхода, характерные для пароконденсатных и двухфазных смесей и др. Говоря языком теории точности, в этом случае удается выделить из генеральной совокупности элементов смесь распределений и после их анализа в отдельности синтезировать общую картину точности по пульсациям.

Таким же образом можно рассматривать и более сложные процессы с множеством входных и выходных характеристик. Для этих целей все чаще должны использоваться средства САПР, синтезирующие различные сочетания накопления ошибок и погрешности в последовательном и параллельном проведении технологического процесса и оптимизирующие контуры регулирования по критерию минимальной погрешности заданных технологических параметров. Такой подход позволяет решать задачи синтеза размерных цепей допусков технологического процесса более совершенными средствами и оптимизировать их для конкретной постановки задачи.

Так, по результатам «размерного» анализа накопления погрешностей можно выделить критические контуры, с увеличивающимися звеньями и высоким передаточным отношением и оптимизировать их, предложив более точное исполнение клапана, с более совершенным приводом и позиционером. При проверке спецификации клапанов при проектировании технологической схемы критические участки выделяются и рассматриваются отдельно. Для них производится перерасчет с целью повышения точности и метрологической надежности. Для крупных предприятий, это эффективно еще и с точки зрения развития диагностики, унификации и сервисного обслуживания. По мнению авторов, такой подход эффективен при рассмотрении проблемы точности в контексте надежности и коммерческий эффективности, например, при замене спецификации разнородных клапанов, предлагаемых компаниями, специализирующихся на какой-либо части технологического процесса на унифицированные «диагнозопригодные» решения от одного производителя арматуры.

Говоря о традиционных способах устранения отклонений процесса, обычно приводят возможностях системы автоматизации. Однако, это не всегда так. Если, например, погрешность выполнения задания регулирующим клапаном выше допуска, задаваемого системой автоматизации, то клапан не сможет поддерживать задание в точности. Результатом станет как большая колебательность процесса, так и неэффективная автоколебательная работа самого клапана.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рассмотрим для начала основные определения, которые необходимы для рассмотрения процессов регулирования с точки зрения теории точности. Основными участками рассмотрения будут – точность при проектировании технологических схем, контура регулирования и самого клапана, в эксплуатации, измерении и контроле.

Выходные характеристики. Это те показатели, которые обеспечивают необходимый уровень работоспособности, долговечности, надежности, ремонтопригодности, устойчивости и других критериев качества. Они отличаются от служебных или эксплуатационных характеристик, поскольку этот показатель шире и включает и негативные выходные характеристики, возникающие в процессе эксплуатации. Например, спектр частот и собственная виброактивность клапана могут быть названы только выходной характеристикой, поскольку ни служебной, ни эксплуатационной не являются.

Выходные характеристики – это допуск на параметры технологического процесса, зависящие от клапана. Например, для клапана питательной воды – это допуск на расход готового пара после ее испарения. Для технологической схемы с участием клапанов и ограничениями на минимальное влияние других факторов – это может быть дополнительно и допуск на устойчивую работу последующих контуров, например, при каскадном дросселировании пара. В этом случае необходимо рассмотреть другие контуры регулирования, вносящие свой вклад в формирование свойства. Например, зная влияние гидразина на свойства воды, можно рассмотреть, какие контуры регулирования влияют на процесс, и как погрешность регулирования выводит процесс за допустимые рамки, приводя либо к избыточности добавки химикатов, либо к ухудшению качества воды или срывам режима. Для этих целей хорошо работает теория вкладов в теории точности. Также могут быть рассчитаны уравнения регрессии или найдены экстремумы свойств. Говоря языком химии, могут быть найдены участки допусков, максимально сочетающиеся с центром процесса, где свойства оптимальны и эффективность регулирования наиболее высока. Тогда можно уйти от краев процесса, где погрешность высока, а качество выполнения химического процесса, реакции, и т.п. минимально.

ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ

Функциональные параметры – это физико-химические параметры, которые оказывают влияние на выходные характеристики. Например, к числу выходных характеристик клапана могут быть отнесены секундный расход, давление, концентрация, работа на переходных режимах, потери на гидравлическое сопротивление. Функциональными параметрами клапана, обеспечивающими этот процесс, являются степень линеаризации, пропускная способность, угол открытия, динамический гистерезис, мертвая зона, мера отклонения от линейности, заданного командного сигнала и др.