Регулираща арматура в автоматизацията

ПОДОБНИ СТАТИИ

Избор на разстъргващи инструменти

Индустриални захранвания за DIN шина

Високопрецизно лазерно рязане на метал

Релета за безопасност

Колаборативни роботи в производството

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.

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.

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.

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.