Курс Трубопроводная арматура. Модуль-кейс Выбор регулирующей арматуры по критерию надежности регулирования

Станислав Львович Горобченко, 2022

Рассмотрены принципы выбора и расчета регулирующей арматуры по критерию надежности регулирования для систем автоматического управления в промышленной и теплоэнергетике. Проведен анализ применяемой в энергетике арматуры, показаны особенности применения критерия надежности при выборе арматуры. Приведен расчет, анализ и выбор регулирующей арматуры для САУ уровня в барабане котла БКЗ 75-3,9 ГМА.

1. Трубопроводная арматура в промышленной и тепловой энергетике

1.1. Классификация трубопроводной арматуры

Существует большое разнообразие трубопроводной арматуры, и в данной работе рассмотрены различные типы арматуры и ее классификации.

Классификация трубопроводной арматуры осуществляется по различным признакам. Пример приведен на рис.1.1 [1].

Рис.1.1. Классификация трубопроводной арматуры.

Далее, более подробно разобраны признаки классификации трубопроводной арматуры:

Классификация по области применения приведена на рис.1.2 [1].

Рис.1.2. Классификация трубопроводной арматуры по области применения.

Пароводяная трубопроводная арматура — это арматура, предназначенная для работы на воде и паре, являющаяся наиболее характерной для использования в системах отопления, вентиляции и теплоснабжения, работающая при высоких давления и температурах;

Газовая трубопроводная арматура — это арматура, предназначенная для установки в системах газоснабжения. В связи с пожаро — и взрывоопасностью рабочей среды, к ней предъявляются повышенные требования герметичности;

Нефтяная трубопроводная арматура — это арматура, предназначенная для установки в системах и трубопроводах, по которым транспортируется сырая нефть и нефтепродукты, являющиеся агрессивной средой, в связи с чем, данный вид арматуры должен обладать повышенной коррозионной стойкостью;

Энергетическая трубопроводная арматура — это арматура, как правило, являющаяся пароводяной арматурой, которая работает при высоких температурах и давлениях, характерных для крупных энергетических котлов, турбин и других установок. К арматуре данного вида предъявляют жесткие требования к качеству арматуры и материалу.

Химическая трубопроводная арматура — это арматура, предназначенная для работы с очень агрессивной средой, в том числе, концентрированные кислоты и щелочи. Данный вид арматуры в основном применяется в химической промышленности и не характерен для систем теплогазоснабжения и вентиляции. Однако применяется в цехах химводоподготовки котельных и ТЭЦ.

Трубопроводная арматура по целевому назначению бывает промышленная, общего назначения и специальная [1] (рис.1.3.).

Рис.1.3. Классификация ТА по целевому назначению.

Промышленная трубопроводная арматура — это арматура, которая устанавливается на технологических установках разного профиля и трубопроводах, подразделяющаяся на арматуру общего назначения, устанавливающуюся в системах, эксплуатируемых в обычных условиях, и арматуру специальную, к ней предъявляются особые требования, вследствие специфики систем: агрессивная среда, суспензии, высокие давления, высокие температуры;

Классификация трубопроводной арматуры по функциональному назначению приведена на рис.1.4 [1].

Рис.1.4. Классификация ТА по функциональному назначению

Регулирующая арматура. Регулирующая арматура — это арматура, которая предназначена для регулирования параметров рабочей среды при помощи изменения расхода или проходного сечения [2]. Применяются различные виды управления регулирующей арматурой из-за различных условий эксплуатации. Наиболее часто осуществляется управление по команде от датчиков, которые фиксируют параметры среды в трубопроводе и используются внешние источники энергии.

Из-за различных параметров рабочей среды: давления, температуры, химического состава и пр., к каждому виду регулирования предъявляются различные требования, это привело к появлению различных типов регулирующей арматуры. К регулирующей арматуре относятся: клапан регулирующий, клапан запорно-регулирующий, клапан трехходовой, кран шаровой, кран цилиндрический.

Запорно-регулирующая арматура. Запорно-регулирующая арматура — это арматура, которая совмещает функции запорной и регулирующей арматуры [2].К запорно-регулирующей арматуре относятся: клапан запорно-регулирующий, дисковый затвор, запорный клапан, мембранный клапан, шаровой кран, электромагнитный клапан.

Трубопроводная арматура по принципу управления и действия бывает двух видов [1], рис.1.5.

Рис.1.5. Классификация ТА по принципу управления и действия

Управляемая трубопроводная арматура — это арматура, в которой перемещение рабочего органа происходит за счет силового внешнего воздействия, от внешнего источника энергии: пневмоприводом, электроприводом, ручным приводом ит.п.:

трубопроводная арматура с ручным приводом — это арматура с механизированным приводом. Для передачи воздействия служит маховик или рукоятка. Пример ручного привода показан на рис.1.6.

Рис.1.6. Пример ТА с ручным приводом

Управляемая ТА с электрическим приводом. Электрический привод — это устройство для управления арматурой, использующее электрическую энергию [2]. Электроприводы используются для дистанционного управления арматурой: открытия, закрытия и определенного положения арматуры. Пример электрического привода показан на рис.1.7.

Рис.1.7. Пример ТА с электрическим приводом

Управляемая ТА с пневматическим приводом. Пневматический привод-устройство для управления арматурой, использующее энергию сжатого воздуха (или другого газа) [2]. Он используется для открытия, закрытия и приведения арматуры в определенное положение. Пример пневматического привода приведен на рис.1.8.

Пневмоприводы чаще используются для защитной арматуры и регулирующей, но не так часто из-за необходимости наличия на предприятии специальной компрессорной системы сжатого воздуха.

Рис.1.8. Пример ТА с пневматическим приводом

Управляемая ТА с гидравлическим приводом. Гидравлический привод — это устройство для управления арматурой, использующее энергию жидкости, находящейся под давлением [2]. Пример гидравлического привода показан на рис.1.9.

Для управления арматурой больших размеров необходимы значительные усилия, непосильные для пневмо — или электропривода, в связи с чем, он оказывается вне конкуренции. Кроме того, гидропривод компактен, прекрасно сочетает высокую нагрузку с плавностью движений. Преимущество гидропривода — это способность сохранять запас гидравлической энергии на случай аварийного включения.

Управляемая ТА с электромагнитным приводом. Электропривод, в котором преобразование электрической энергии в механическую осуществляется устройством на основе взаимодействия электромагнитного поля и сердечника из ферромагнитного материала, является электромагнитным приводом [2].Достоинства электромагнитного привода — это быстродействие, высокая точность, технологичность изготовления, простота обслуживания. Пример электромагнитного привода показан на рис.1.9.

Рис.1.9. Пример ТА с электромагнитным приводом

Автоматически действующая (автономная)трубопроводная арматура — это арматура, отличающаяся тем, что управление и рабочий цикл осуществляется только действием самой рабочей среды без каких-либо посторонних источников энергии. К данному типу арматуры относятся: обратные клапаны, срабатывающие под действием изменения направления потока, и другие виды арматуры [1].

Трубопроводная арматура различается по материалу корпуса. Материалы корпуса, в котором изготавливается арматура, представлены на рис.1.10 [1].

Рис.1.10. Классификация ТА по материалу корпуса

Материал корпуса, из которого изготавливается арматура:

— стальная (из углеродистой стали)

— из коррозионностойкой стали

— из титана

— чугунная (из серого чугуна)

— из ковкого чугуна

— из цветных металлов

— из пластмасс

— из керамики (фарфор)

— чугунная с защитным покрытием (резина, пластмасса, эмаль).

1.2. Конструкция, принцип действия и характеристики трубопроводной арматуры

На рис.1.11. приведены примеры разновидности трубопроводной арматуры.

Из представленных видов арматуры к регулирующей относятся краны, клапаны и затворы. Далее рассматриваются только они.

Кран

Кран — это тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент, имеющий форму тела вращения или его части, поворачивается вокруг собственной оси, произвольно расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды [2]. Краны изготавливается из различных материалов — металлы и их сплавы, а также пластика. В зависимости от площади поперечного сечения перекрываемого отверстия краны бывают в двух вариациях: полупроходными или полнопроходными.

Рис.1.11. Виды трубопроводной арматуры

У полупроходного крана отверстие меньше труб, присоединяемых как на входе, так и на выходе, а у полнопроходного крана их диаметр совпадает.

В зависимости от числа рабочих положений пробки краны бывают двухходовыми или трехходовыми. В зависимости от формы тела вращения, образующего затвор, краны бывают: конусные, цилиндрические, шаровые[4].

Конусный кран

Конусные краны имеют пробку в виде усеченного конуса, в котором имеется прямоугольное или круглое отверстие (рис.1.12). Корпус крана также имеет конусную поверхность, к которой должна плотно примыкать пробка [4].

В зависимости от способа прижатия пробки различают сальниковые и натяжные краны. В сальниковых кранах между крышкой крана и верхним торцом пробки расположена сальниковая набивка, которая является упругим элементом, создающим постоянное усилие, которое прижимает пробку к корпусу.

Рис.1.12. Конструкция крана с конусной пробкой (сальниковый)

В натяжных кранах снизу пробки имеется стержень с резьбой, который проходит через отверстие в корпусе. Прижатие пробки происходит за счет пружины, одеваемой на винт и стянутой гайкой. Натяжные краны являются более надежными, так как в них работа крана не зависит от свойств сальниковой набивки, которая со временем теряет свои упругие свойства. Исходя из этого, натяжные краны используют в газоснабжении.

Преимущества конусных кранов: невысокая стоимость, простота конструкции и ревизии, малое гидравлическое сопротивление.

Недостаток таких кранов — это большое усилие, которое требуется на поворот пробки, со временем микрозазоры между поверхностью корпуса и пробки зарастают отложениями и тогда требуется настолько большое усилие, что возможна поломка крана.

Цилиндрический кран

Цилиндрические краны наиболее часто применяют для регулирования, потому что цилиндрическая пробка не обеспечивает достаточной герметичности крана, так как не может быть плотно прижата к корпусу. Зато она может перемещаться в вертикальном направлении, что позволяет регулировать свободную высоту прямоугольного отверстия в пробке [4].

Одна из конструкций шиберного крана с цилиндрической пробкой показана на рис.1.13.

Рис.1.13. Конструкция запорно-регулирующего крана с цилиндрической пробкой

Шаровой кран

Принцип действия шарового крана основан на перекрытии потока с помощью вращения шарового элемента вокруг оси, которая является перпендикулярной направлению потока. В запорном элементе выполнено сквозное отверстие, которое равно внутреннему диаметру трубопровода [4] (рис.1.14).

В открытом положении ось отверстия в затворе совпадает с осью трубопровода, а в закрытом оси, наоборот, перпендикулярны. Для полного открытия или перекрытия крана достаточно повернуть шар на 90°.

Рис.1.14. Принцип действия шарового крана

Герметичное перекрытие потока шарового крана обеспечивается плотным прилеганием полированной поверхности шара к полимерным торцевым кольцам. В кранах с плавающим шаром дополнительное уплотнение обеспечивается за счёт прижатия затвора к торцевому кольцу под давлением рабочей среды.

Для ручного управления шаровым краном пользуются рычагами, а при необходимости автоматического или дистанционного управления на шаровой кран можно установить электропривод.

Как регулирующую арматуру обычные шаровые краны, с мягкой опорой, применять не рекомендуется из-за плохой регулировочной характеристики. Кроме того, если шар находится в промежуточном положении, перемещаемая среда попадает в зазор между корпусом и шаром, и в нем начинают накапливаться отложения, что при длительной работе в таком режиме может привести к «прикипанию» шара[4].

Если добавить в шаровом кране опору снизу, то кран может быть регулирующим или запорно-регулирующим.

Клапаны

Клапан — это тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды [2].

Клапаны трехходовые

Они бывают: смесительные и разделительные. У смесительного один выход и два входа. То есть он выполняет функцию смешивания двух потоков, что необходимо для понижения температуры теплоносителя. (рис.1.15).

Рис.1.15. Клапаны трехходовые

Трехходовой кран разделительного действия разбивает основной поток на два. Поэтому у него два выхода и один вход.

Клапан регулирующий и запорно-регулирующий

Клапан запорно-регулирующий устанавливается в системах автоматического регулирования технологическими процессами [6]. Он предназначен для регулирования и перекрытия потоков регулируемой среды без абразивных частиц, совместимых с материалами внутренних частей корпуса. Принцип работы запорно-регулирующего клапана — это изменение расхода среды через своё проходное сечение. Такой клапан применяется в качестве регулирующей арматуры на тепловых пунктах, в системах теплоснабжения, и т.п.

Для автоматического управления процессами, протекающими в системах тепло-, водоснабжения и системах кондиционирования воздуха, в качестве исполнительных устройств применяются запорно-регулирующие клапаны с электроприводами [6]. Пример запорно-регулирующего клапана показан на рис.1.16.

Рис.1.16. Клапан запорно-регулирующий

Клапан регулирующий

Регулирующие клапаны являются элементом системы автоматического регулирования и в то же время элементом гидравлической системы тепло — или холодоснабжения [3].

Регулирующий клапан используется для ограничения расхода воды. В зависимости то конструкции запорного органа, принцип работы регулирующего клапана аналогичен принципу действия задвижки или шарового крана. Пример регулирующего клапан приведен на рис.1.17.

Рис.1.17. Клапан регулирующий

-Двухходовые регулирующие клапаны используются для управления теплоотдачей теплообменных аппаратов систем горячего водоснабжения и независимых систем отопления, управления процессом смешения в тепловых пунктах с зависимым подключением к тепловой сети и в качестве исполнительного органа регулятора расхода, давления или перепада давления непрямого действия [3].

–Трёхходовой регулирующий клапан используется для смешения или разделения потока теплоносителя, поэтому его ещё называют смесительными и разделительными клапанами. Наиболее широкое распространение получил в системах теплоснабжения подключённых от автономных котельных, в которых нет необходимости в ограничении расхода при сохранении коэффициента смешения. Он устанавливается для управления теплоотдачей калориферов системы вентиляции, теплообменных аппаратов систем горячего водоснабжения и отопления, подключённых по независимой схеме, управления процессом смешения в системах отопления с зависимым подключением в котельной [3].

Сегментный клапан

Использование сегментных клапанов в теплоэнергетике обусловлено необходимостью регулирования потоков химически активных вязких жидкостей, суспензий и газов, проходящих по трубопроводам. Так, сфера применения клапанов с шаровым сегментом требует максимально точной регулировки потока рабочей среды в составе различных промышленных систем для регулирования и перекрытия потоков газа, пара, жидкости и достижения необходимого уровня герметичности. Клапаны используются на ГЭС, АЭС, ТЭС, в химической промышленности, в структуре нефтегаза, а также в системах тепло — и водоснабжения [8].

Сегментный клапан состоит из корпуса, дроссельного узла в виде шарового сегмента и системы управления, обычно привод. Данный вид клапана наиболее часто используется в экстренных условиях — при повышенных температурных показателях и показателях давления — и благодаря своим конструктивным особенностям обеспечивают должную герметичность и высокую точность регулирования при эксплуатации в абразивных и агрессивных средах, в условиях кавитации. Пример сегментного клапана приведен на рис.1.18.

Рис.1.18. Сегментный клапан

Клапан с шаровым сегментом наиболее оптимален для регулирования потоков всевозможных взвесей и жидкостей, содержащих твердые частицы, а также газа, он обеспечивает высокую точность регулирования потока, а так же позволяет сократить неизбежные потери энергии и достичь увеличенного коэффициента пропускной способности в сравнении с шаровыми кранами и дисковыми затворами.

Игольчатый клапан

Затвор игольчатого клапана движется вдоль уплотнительных поверхностей седла и выполнен в форме узкого конусного цилиндра. Такая форма затвора позволяет обеспечить высокую герметичность устройства, а также обеспечить более плавное изменение сечения прохода при увеличении или уменьшении объема подачи рабочего материала. Игольчатые клапаны используют как для жидких, так и для газообразных сред. Устройства широко используются в промышленности для полного перекрытия потока рабочей среды и для регулирования ее давления и расхода.

Игольчатый клапан состоит из корпуса, крышки, затвора и штока (шпинделя). Управление клапаном может осуществляться вручную или при помощи исполнительного механизма — привода. От рукоятки или привода крутящий момент передается к штоку, который приводит в движение затвор. В результате клапан открывается или закрывается. Рабочая среда проходит через отверстие седла — неподвижного элемента конструкции, расположенного внутри корпуса. Для обеспечения надежной герметичности клапана место соприкосновения затвора и седла уплотняется, чтобы не оставалось зазоров [9].

Рис.1.19. Игольчатый клапан

Основные достоинства игольчатых клапанов — их высокая герметичность, небольшие габариты, быстрое срабатывание, возможность применения в различных средах при широком диапазоне давлений и температур. К недостаткам можно отнести большое гидравлическое сопротивление, противодавление рабочей среды и относительно большое усилие на привод для передачи крутящего момента.

Затвор

Дисковый затвор

Дисковый поворотный затвор регулирует поток при помощи специального элемента — диска, закреплённого на валу, и поворачивающегося вокруг своей оси. Также как и шаровой кран, дисковый затвор способен осуществить перекрытие за достаточно короткое время, так как диск осуществляет такой же оборот на 90°, из-за чего этот затвор называют также четвертьоборотным [5]. Пример дискового затвора приведен на рис.1.20.

Рис.1.20. Дисковый затвор

Дисковые поворотные затворы характеризуются: легкостью веса, простотой конструкцией, и компактными размерами. Но из-за материалов, используемых при производстве, могут возникать ограничение их применение при очень высоких температурах, или крайне агрессивных средах. Наиболее часто это касается уплотнений затвора, изготовляемых из полимерных материалов.

Таким образом, с целью анализа вариантов выбора регулирующей арматуры были рассмотрены различные варианты трубопроводной арматуры, и принцип их работы.