Регулираща арматура в автоматизацията

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2007

Регулираща арматура в автоматизацията
 

Тестови процедури, изисквания при специфициране на регулиращи вентили според ISA

 

Регулиращите вентили са важен елемент от системите за автоматично управление (САУ) в областта на индустрията. Обикновено, когато възникват проблеми с поведението на контролираната процесна променлива, причините се търсят в настройките на регулатора, в действията на оператора или във влияние на процесната среда. Но много често източникът на проблема не е сред изброените - поведението на процесната променлива би могло да зависи от работата на изпълнителния механизъм на системата. Поради тази причина, правилният избор на регулираща арматура, системното й обслужване и ремонт влияят силно върху качеството на регулиране на съответния производствен процес. Не е за подценяване и фактът, че регулиращият вентил в някои случаи е сред скъпите елементи на системата за автоматично управление. Детайлното познаване на характеристиките и възможностите на регулиращите вентили биха спестили много и то сериозни проблеми, свързани с управлението на процеси. Регулиращите вентили търпят непрекъснато усъвършенстване. В тяхната изработка се влагат скъпи материали, използват се най-съвременни технологии, подобряват се конструкцията и характеристиките им, за да се отговори на все по-високите и многобройни изисквания.

Стандарти за регулираща арматура

Сред най-наложилите се в международен план стандарти в областта на регулиращата арматура са разработените от Дружеството за измервателни уреди, системи и автоматизация ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society). Стандартите на ISA създават критерии за оценка и тестване на регулираща арматура и въпреки че организацията е създадена и управлението й е базирано в САЩ, критериите, разработени от ISA, са общоприети в цял свят. ISA е основен спонсор и на Федерацията за автоматизация (www.automationfederation.org). По принцип, стандартите на ISA нямат за цел да определят идеалния изпълнителен механизъм, нито ограничават избора на определен тип регулираща арматура за конкретно приложение, се твърди в официалния сайт на организацията.

Всеки специалист по автоматизация, занимавал се с проучване на предлаганата регулираща арматура на нашия пазар, е срещал в професионалната си практика, че дадено изделие е стандартизирано в съответствие с международно признатия стандарт ANSI/ISA 75.25.01-2000. Наличието на абревиатурата ANSI означава, че съответният документ, освен от ISA, е приет за стандарт и от Американския национален институт за стандарти. ANSI е официалният представител на САЩ в Международната организация по стандартизация ISO. Цифрите в кода показват групите и подгрупите, в която се намира съответният стандарт. Например със 75 започват всички стандарти, отнасящи се до регулираща арматура, двупозиционни (On-Off) вентили и задвижвания. Числото след тирето обозначава годината на приемане на стандарта.

За стандарта ANSI/ISA 75.25.01-2000

Нарича се Изпитвателна процедура за измерване реакцията на регулиращ вентил чрез стъпкови изменения на входа (Test Procedure for Control Valve Response Measurement from Step Inputs). Определя методики за изпитване и отчитане на стъпковата реакция на регулиращи вентили, които се използват като дроселиращи в приложения със затворени системи за автоматично управление. Също така, стандартът дефинира методите и критериите за изпитвания на реагиращото действие и оценка на резултатите в три различни среди - без флуид, в лабораторни условия и в реален процес.

Тестовете без флуид, познати сред специалистите като тест "на сухо", се провеждат с регулиращия вентил извън производствената линия или мястото на работа. Тъй като няма протичане на флуид през вентила, резултатите от изпитванията могат значително да се различават от получените със същия вентил в лаборатория или в реалния процес. Въпреки опростеността на този вид тестове, от тях би могла да се получи много полезна информация.

Лабораторните тестове се изпълняват с флуид, протичащ през вентила, но при строго определени условия. Поради контролираната среда за изпитване, резултатите от работата на регулиращия вентил в лабораторията обикновено също се различават от тези, проведени в реални експлоатационни условия.

Изпитванията в реален процес осигуряват резултати за работата на вентила в реални или близки до реалните условия. Ограничаващият фактор за получаване на значими тестови резултати в процеса обикновено се определя от наличието на подходящи измервателни устройства или от процесни фактори, които могат да стеснят обхвата на провежданите изпитания. Типичен пример в това отношение е съществуването на ограничения, свързани с налягането или температурата поради изисквания за безопасност.

Тестови процедури

Видовете изпитвания, дефинирани от стандарта ANSI/ISA 75.25.01-2000, включват три процедури, предназначени за получаване на максимална като качество и количество информация за работата на арматурата - крайни положения, малки изменения (стъпки) и време за реакция.

Изпитванията за крайни положения обикновено се считат за незадължителни, но когато се проведат дават оценка за наличие на циклични проблеми в работата на вентила, възможност за установяване на времето за реакция на вентила между двете крайни точки от хода му и др. Счита се, че подобни тестове са много полезни за установяване на първоначалните технически характеристики на вентила.

Тестовете от типа проследяване работата на вентила при малки промени във входния сигнал, наричани още стъпки, се изпълняват, за да се определят хистерезисът и разделителната способност. Изпитанията започват след установяване на входния сигнал на определена номинална стойност. Тестът продължава с малки стъпкови изменения на входния сигнал в едната и другата посока от определената номинална стойност и с дадени периоди на изчакване между всяка промяна.

Стандартът регламентира и тестови процедури за време на реакция на регулиращия вентил. ANSI/ISA 75.25.01-2000 дефинира и методите и критериите за изпълнение на тестовете и оценката на резултатите от изпитванията за трите различни среди - "на сухо", в лабораторни условия и в реален процес.

Обхват
на стандарта

Както вече бе подчертано, стандартът се отнася до провеждането на тестове и изготвянето на отчети за регулиращи вентили, работещи в САУ. Необходимо е тези вентили да включват напълно готови за експлоатация корпус, задвижване и всички необходими допълнителни елементи, от които най-често използван е позиционерът. Чрез използването на стандарта се дефинират практики за изпитване, измерване и анализ на характеристиките на регулираща арматура, използвана в приложения, свързани с управление на производствени процеси. Практическото приложение на стандарта позволява еднозначно да се определи колко прецизно и бързо регулиращият вентил реагира на входния сигнал, подаден към него. Въпреки това, фактът, че едно изделие е специфицирано в лабораторни условия в съответствие със стандарта, не означава, че без необходимите допълнителни изпитания то автоматично ще осигури подходящо управление на процеса. Специфицирането на изделията по ANSI/ISA 75.25.01-2000 несъмнено е сериозна атестация и критерий за избор, но не и еднозначно определящо условие за избор на арматура за конкретно приложение, тъй като процесните условия и целите на потребителя могат да са твърде разнообразни.

Данните в стандарта са изрично предназначени за регулиращи вентили, които се използват във функцията на изпълнителни механизми в затворени системи за автоматично управление с обратна връзка, но могат да имат известно приложение и за арматури, работещи в системи без обратна връзка (отворени системи). Стандартът не се отнася за двупозиционни вентили. Не всички приложения на регулиращи вентили се нуждаят от процедурите за изпитване, дефинирани от стандарта.

Препоръчителни документи

Наред със стандарта ANSI/ISA 75.25.01-2000, се препоръчва инженерите, занимаващи се с регулираща арматура, да познават използват и документите - ISA Guide за регулиращи вентили; Практическо ръководство за измерване и контрол; ISA-20-1981, съдържащ спецификации за процесни измервания и контролно-измервателни прибори, първични елементи и регулираща арматура; ANSI/ISA-75.01.01-2002 , предоставящ информация за разходни зависимости при оразмеряване на регулиращи вентили; ISA-75.17-1989 Изчисление на аеродинамичния шум на регулиращи вентили; както и ISA-RP75.23-1995, отнасящ се до факторите за оценка на кавитацията при регулиращи арматури.

Други документи, използването на които е препоръчително, са някои от стандартите на ASME (American Society of Mechanical Engineers), както и на други организации, включително ASME B1.20.1-1983 Тръбопроводни резби за обща употреба (в инчове); ASME B16.5-2003 - Тръбопроводни фланци и фланцеви фитинги; ASME B16.10 - 2000 - Присъединителни и външни размери на вентили; ASME B16.34 - 2004 - Арматури - фланцеви, резбови и на заварка; ASME B31.3 - 2004 - Процесни тръбопроводи; FCI 70-2 - Регулиращи вентили със седлови клапани; както и MSS-SP-61 - Изпитване на стоманени вентили чрез налягане.

Термини и определения при регулиращите вентили

Всеки регулиращ вентил в контекста на ISA S75.05 включва следните компоненти:

Вентил - техническо средство, използвано за управление на потока флуид. Изградено е от тяло, провеждащо флуида с един или повече провеждащи канала между отворите за връзка и движещ се затварящ елемент, който отваря, ограничава или затваря провеждащите канали.

Задвижване - устройство, което осигурява необходимата сила и предизвиква движение на затварящия елемент. Обикновено се захранва с флуид или с електрическа енергия. Често се използват пневматични задвижвания, но в редица приложения е по-удачно използването на електрически, хидравлични и електрохидравлични задвижвания.

Механизъм, преобразуващ движението - монтиран между вентила и силовия елемент на задвижването механизъм. Той служи за преобразуване на движението от въртеливо във възвратно-постъпателно или обратно.

Принадлежности - допълнителни устройства, използвани за работата на регулиращия вентил. Типични примери за такива устройства са позиционер, преобразувател, превключващо реле, комплект за подготовка на пневмозахранването и др.

Изисквания към проектирането, оразмеряването и избора

Изборът и доставката на регулираща арматура са много важен етап от изграждането на една система за автоматично управление. Стандартите ISA въвеждат методики за изчисление на дебита с оглед оразмеряването на регулиращи вентили, регламентира минимални задължителни изисквания, свързани с проектирането, оразмеряването и избора им. Съществуват изисквания, както по отношение на доставчика, така и спрямо клиента, закупуващ оборудването.

Доставчикът следва да осигури чертежи, работна документация и протоколи от изпитанията на арматурата, окомплектована със задвижване и принадлежности. В тях трябва да се съдържат подробни данни за техническите им характеристики. Чертежите и изчисленията на самия вентил следва да включват информация за външните размери, теглото на основните елементи, детайлни чертежи, схеми на свързване (електрически, пневматични, хидравлични) и спецификации на елементите и материалите. Също така доставчикът би следвало да осигури всички присъединителни елементи и фитинги за задвижването, вентила, позиционера и пневматичния филтър-регулатор. Към тях е необходимо да се доставят и редица специализирани инструменти, в случай че са необходими за монтажа, демонтажа или поддръжката на арматурата. Осигуряването на работни инструкции за първоначално инсталиране, настройка и поддръжка на регулиращите вентили са важна част от задълженията на доставчика. Към тях следва да има и списъци на препоръчителните резервни части.

Задълженията на клиента, от гледна точка на стандарта, включват осигуряване на цялата необходима документация, свързана с външните тръбопроводи, присъединителни елементи и други вентили. Задължение на клиента е да предостави и схеми на силовото захранване, сигналите и необходимите индикаторни елементи. Заявителят е длъжен да получи, разтовари, съхранява и монтира оборудването, съгласно предписаните изисквания.

Критерии за избор на регулираща арматура

Основната област на приложение на регулиращите вентили в съответствие с “ISA Guide за регулиращи вентили, практическо ръководство за измерване и контрол” включва регулирането на разход (дроселиране, смесване, захранване), ниво (на резервоари, деаератори, химически апарати), налягане (на гориво, на пара, на апарати под вакуум или налягане) и др. В зависимост от характеристиките на конкретното приложение, от определящо значение биха могли да бъдат:

l Висока точност на управлението, включваща скоростта на реакция на арматурата при малки промени на сигнала;

l Голямо съотношение между максималния и минимален разход. Това води до увеличаване на диференциалния пад на налягане върху вентила;

l Непропускливост на арматурата при затворено положение, което поставя високи изисквания към уплътняващите повърхности;

l Бързо придвижване на регулиращия орган и безударното му действие в крайните положения - в този случай характеристиките на задвижването и позиционера трябва да са специално подбрани;

l Устойчивост на кавитация, ниски нива на шум и на вибрации. Свързано е със специални изисквания към конструкцията и материала на регулиращия орган.

Работните условия са от определящо значение при избора на арматура. От тях най-важните характеристики от гледна точка управлявания процес, които клиентът следва да посочи, са трите параметъра - номинален, максимален и минимален разход. Номинален е разходът, който е проектно предвиден и който ще се поддържа през преобладаваща част от времето на работа. Максимален е разходът, когато заводът или инсталацията работят при върхови условия. Съответно, когато те работят на най-малкия си капацитет, се формира минималният разход. За него е характерна най-голяма стойност на диференциалния пад на налягане върху вентила. Възможно е минималният разход да бъде и нула, което изрично следва да се укаже от клиента на регулиращата арматура. Наред с това, той трябва посочи и стойности на разхода (ако има такива) при ситуации извън нормалната работа - първоначално пускане, аварии и др.

Стъпки при избор на регулираща арматура

Оразмеряването на регулиращите вентили в съответствие с изискванията на ISA S75.01 обхваща няколко стъпки. Доставчикът трябва да избере и оразмери комплекта “вентил-задвижване”, базирайки се на точна оценка относно изискванията към регулиращия орган (РО). Базов критерий за оценка е пропускателната способност на вентила, наричана още капацитет на пропускане или капацитет на вентила - CV. При равнопроцентни регулиращи органи избраният капацитет CV трябва да е такъв, че максималният разход да се постига при 95% от хода на РО. При линейни или при бързоотварящи РО, максималният разход би следвало да се постига при 90% от хода. Така изчисления CV трябва да е по-голям от избрания капацитет на пропускане на вентила. За някои специфични приложения се налага допълнително преоразмеряване на CV. Освен това, корекция на капацитета CV е възможно да се наложи и от т.нар. фактор на тръбопровода, например ако геометрията на тръбата, наличието на преходи или други фитинги го намаляват съществено.

Следващата стъпка включва определяне на размера на тялото на вентила. Правилото, което трябва да се спазва, е типовият размер на тялото да не надхвърля този на тръбопровода. Факторите, които се отчитат са максимален пад на налягане, изходяща скорост на газове/пари, ниво на шума, ерозивни флуиди, очаквано бъдещо увеличение на CV и др.

Третият етап при избора на вентил е свързан с конструкцията му. Арматурата трябва бъде изчислена за необходимите налягания и температура. Материалът, от който е изработено тялото на вентила, следва да отговаря или да надхвърля изискванията на процеса. За тялото и за регулиращия орган на вентила особено важен параметър е температурната точка, до която те запазват оптималните си работни характеристики. В допълнение, към критериите за избор на материал за регулиращия орган е повърхностната му обработка с оглед осигуряване на необходимите нива за корозия и ерозия.

Обикновено като материал за РО се предпочитат сериите AISI 300- и AISI 400- неръждаеми стомани. Конструкцията на самия регулиращ орган трябва да позволява бързата му подмяна с цел облекчаване на поддръжката на арматурата.

Изборът на регулираща арматура продължава с определянето на начина на присъединяване. Стандартът поставя изискване към клиента да се придържа към стандартите за присъединяване на фланци, между фланци, на резби или на заварка. Доставчикът следва да осигури или да препоръча необходимите уплътнения (фланцеви гарнитури и салникови набивки). В повечето случаи за температури до 230 градуса по Целзий материалът, от който се изработват уплътненията, е PTFE (политетрафлуоретилен, т.нар. тефлон), а над тази граница се преминава на спирално навити, графитни или еквивалентни на тях гарнитури без азбест.

Факторите шум, вибрации и кавитация

Работата на регулиращата арматура е етапът, който обикновено се подценява при избора й. А явленията, предизвикани от работата на арматурата, могат да създадат проблеми както с регулаторните органи, така и с усложнената поддръжка на оборудването. Шумът е неизбежното “зло”, съпътстващо експлоатацията на един вентил. Максималното ниво на шума, а това включва предизвиканите от самия вентил, присъединителните елементи, непосредствените преходи и колена на тръбопровода шумове, не трябва да надвишава определените норми. В масовия случай шумовото въздействие, предизвикано от работата на вентила, трябва да е под 85 dBA, като в редки случаи и при специализирани приложения то би могло да бъде до 90 dBA.

Вибрациите и ерозията са също прояви от работата на арматурата. Правилният избор на регулиращ вентил следва да осигури разсейване на тази енергия, без да се надхвърлят допустимите нива на вибрации в тръбопроводната система или в регулиращия орган. Вибрациите на регулиращата арматура и ерозията на РО могат силно да се намалят чрез многостепенна или многопътна конструкция на регулиращия орган. При еднофазни течности тази конструкция трябва да осигурява скорост на изхода на РО под 30m/s. При кавитиращи или ерозиращи течности параметърът следва да е под 23 m/s. Когато арматурата е предназначена за регулиране на газове, параметърът основна скорост Vh (Velocity head) на флуида в изхода на РО трябва да има стойности под 480 kPa при непрекъсната работа. За моментни натоварвания той би могъл да достига до 1030 kPa. Основната скорост на флуида Vh има смисъл на кинетична енергия и се получава от следната зависимост: Vh = r0Vо2 /(2go), където r0 е плътността на флуида в изхода на РО; Vо е скоростта на флуида в изхода на РО; go е гравитационна константа. Посочените стойности на Vh за непрекъсната и моментна работа се отнасят за всяка степен на регулиращия орган. Съответно броят на степените би следвало да е достатъчен, за да се удовлетворят изискванията за основна скорост.

Следваща стъпка при избора на регулираща арматура включва устойчивостта й на кавитация и дроселиран поток. В документа ISA Guide “Регулиращи вентили. Практическо ръководство за измерване и контрол”, глава 7, се съдържат изискванията, на които трябва да отговаря конструкцията на вентилите. Обобщено, техниките за постигане устойчивост на кавитация могат да включват:

l Намаляване на налягането чрез многократни степени;

l Избягване на прякото въздействие на потока върху тялото на вентила и стените на тръбопровода (т.е. центриране на потока);

l Разбиване на потока на множество малки потоци;

l Принудителни завъртания на потока или воденето му по обиколни пътища.

Необходимо е да се отбележи, че вентилите с антикавитационни регулиращи органи обикновено са значително по-скъпи и ограничават силно капацитета на пропускане на вентила CV.

Изисквания по отношение избора на задвижване

Според ISA, отговорен за правилното оразмеряване на задвижванията на базата на работните условия е доставчикът на арматурата. Пневматичните задвижвания се предпочитат заради някои техни предимства. Отличават се с висока надеждност, опростена конструкция и лесно обслужване, запазват оптималните си характеристики при работа в среда на повишена влажност и са пожаро- и взривобезопасни. Обикновено пневмозадвижванията са мембранни, едно- или двойнодействащи цилиндри, като последните имат сериозно приложение заради по-малките им габарити и тегло. Характеристиките на задвижванията следва да са съобразени с пневмозахранващите системи, които обикновено осигуряват налягане до 900kPa.

Силата, създавана от задвижването, би следвало да преодолее сумата от следните сили – на процесната среда върху РО, на пружината, която служи за стабилизиране на регулиращия орган, на пружината, която ще затвори вентила плътно или ще постави РО в аварийно положение, както и на силата на триене в салниковото уплътнение. Освен това, при затворено положение на регулиращия орган задвижването трябва да създава минимално необходимата сила, предотвратяваща изтичане през вентила.

Съгласно критериите на ANSI, вентилите са специфицирани в шест класа на изтичане. Всеки от класовете е предназначен за дължина на уплътнителната повърхност до или над 125 mm, като горните три класа зависят и от това дали уплътнението на седлото на РО е метално или гъвкаво. Важно е да се отбележи, че, съгласно предписанията, доставчикът трябва да гарантира две години междуремонтен период на арматурата без изтичане.

Материалите, от които е изработено пневматичното задвижване, трябва да са подходящи за конкретното приложение и условията на работа. Всички пневмоводи, фитинги и др. трябва да са изработени от неръждаема стомана, поне AISI 316, или от специализирани синтетични материали. Не бива да се използват въглеродни стомани, мед, бронз и неръждаеми стомани AISI 304.

Изисквания към работата на задвижването

Изискванията, свързани с работата на задвижването, са насочени основно към осигуряване точност на регулиращата арматура. Максимално допустимата грешка в осигурявания дебит (с отчитане на повторяемостта, хистерезиса, разрешаващата способност и т.н.) трябва да е по-малка от 2%. По отношение на стабилността, не се допуска повече от едно излизане извън зоната от 2%, независимо дали изпитанието е в лабораторни или в процесни условия.

Заемането на аварийно положение на регулиращия вентил е следващата важна характеристика на задвижването. Не се допуска регулиращият орган да бъде подпомаган от налягането на процесната среда при придвижването си към аварийно положение.

Друг важен елемент в работата на задвижването е скоростта на единичния ход. Времената на придвижване трябва да бъдат измерени за най-тежкия случай на използване на регулиращи вентили, като тестовете следва да са съобразени с изискванията на стандарта.

Принадлежности
на регулиращата арматура

Позиционерите са много важен елемент от съвременната регулираща арматура. Необходимо е да са снабдени с индикатори за изходното им, захранващото и управляващото налягане. При опасност от вибрации, надхвърлящи допустимите стойности, позиционерите трябва да бъдат инсталирани отделно от комплекта вентил и задвижване. Максимално допустимата грешка на електропневматичните позиционери (с отчитане на всички фактори - хистерезис, разрешаваща способност, повторяемост и т.н.) трябва да е под 2%.

В някои случаи се налага използване на допълнително ръчно задвижване на регулиращата арматура. То трябва да има ясно означена неутрална позиция (в която вентилът работи с основното си задвижване), ръчният механизъм не би следвало да внася допълнително триене и максимално необходимата сила за завъртането му бива да е по-голяма от 100 N.

Друг аксесоар на един регулиращ вентил може да бъде пневматичния бустер, който се използва за увеличаване скоростта на регулиращата арматура чрез осигуряване на голям обем въздух в непосредствена близост до нея. Той се разчита за налягане от поне 930 kPa. Минималният обем на бустера трябва да е поне два пъти по-голям от необходимия за един пълен ход на вентила.

Някои регулиращи вентили притежават ключове за крайни положения. Те трябва да са херметически затворени и, в зависимост от изискванията, могат да бъдат изпълнени като едно- или двуполярен контакт. Вече съществуват и устройства, които осигуряват непрекъснат сигнал за положението на регулиращия орган, базирани на HART, Fieldbus и др. протоколи за комуникация. Трансмитерът за този сигнал би могъл да бъде самостоятелен компонент или да е интегриран в позиционера.

Индикаторът за положение е задължителен компонент за всяка регулираща арматура. Указателят му трябва да е пряко свързан към вентила. Позицията на регулиращия орган би следвало да е ясно показана на скала с деления през 25%, която да разполага с надписи на крайните му положения (open и closed - отворено и затворено).

Стандартът включва изисквания и по отношение маркирането, което се приема като част от принадлежностите на регулиращата арматура. В документа се съдържат подробности включително и за означаване на посоката на потока, при вентилите за които е конструктивно предвидена задължително се извършва при отливане на корпуса - чрез щамповане или посредством табелка от неръждаема стомана, здраво прикрепена с нитове или болтове. По същия начин трябва да е закрепена и табелката, показваща типа на вентила и някои от пределно допустимите му параметри.

Изисквания към съхранението и монтажа

Регулиращите вентили се съхраняват в затворени помещения, предпазващи ги от влага, прах и пряка слънчева светлина. Климатизация не е необходима. При монтажа на арматурата следва да се осигури достъп чрез подходящи площадки, облекчаващи ремонта и поддръжката им. Снабдените с допълнителни ръчни задвижвания вентили трябва да са подходящо ориентирани за удобство на оператора. Ако е предвиден байпасен вентил, той се монтира така, че да не се допуска отлагане на тежки частици в случай на задръстването му. При условие че има нужда от спирателни, дренажни или вентилационни вентили, те следва да се монтират така, че да не възпрепятстват демонтирането, ремонта или обслужването на регулиращата арматура.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top