Большинство компаний рассчитывают клапаны на одну среду исключительно на основе опросных листов, опираясь на показанные в них данные. Ими, как правило, являются максимальные и минимальные расходы и давления при одних и тех же перепадах давления и температурах. При этом анализ динамических явлений, возникающих из-за взаимодействия арматуры с трубопроводом, не проводится.

Обычным решением является игнорирование «качества» потока перед узлом регулирования и отнесение этих проблем на проблемы технологической схемы. Поставщики арматуры также ограничивают свою ответственность исключительно расчетом процесса регулирования и линейности регулирования. Часто не предпринимается никаких мер, чтобы обеспечить соответствие характеристик потока возможностям клапана и это место в схеме еще длительное время остается слабым с точки зрения регулирования. Практически всегда оно остается скрытым, пока не привлечет внимания специалистов по регулирующей арматуре. Как видно, за рамками анализа приемлемости клапана для условий регулирования или отсечки остаются множество нежелательных эффектов, привносимых несовершенством среды или технологической схемы.

В работе «О необходимости технологической поверки клапанов» (ТПА №62010) мы показали, как постоянный перерасчет характеристики регулирования на изменяющиеся параметры среды может снизить нелинейность в регулировании. В работе «Выбор клапанов для условий пульсаций и гидроударов» (ТПА экспресс №012010) были показаны основные проблемы в клапанах, возникающие при значительном пульсировании среды и характеристики пульсаций, привносимые различным оборудованием и аппаратами. В работе «Современный подход к арматуре узла вихревого очистителя целлюлозно-бумажного производства» (ТПА№52011) было показано, как видоизменяются решения по клапанам в зависимости от их влияния на технологию.

Технологические схемы ЦБП отличаются большой разветвленностью, наличием множества аппаратов, способствующих большому количеству пульсаций и возмущений. Они сильно влияют на характер регулирования или образование дополнительных возмущений при отсечке. Хотя эти процессы часто упоминаются, однако, системно к анализу таких проблем при проектировании схем никто не подходил. Совершенствование гидромеханических процессов позволит в значительной степени преодолеть трудности, возникающие при нестационарных и переходных процессах и регулировании динамических процессов в ЦБП.

Экономическая эффективность от расчета гидравлических процессов и гидравлического анализа технологических схем состоит в том, что удается снизить возмущения в процессе, вносимые каждым из элементов технологической схемы. Так, часто удается отстроить резонанс потока в виде волны сжатияразрежения от клапанов, снизить вероятность гидравлических ударов, вероятность образования двухфазных потоков, стабилизировать ядро потока перед регулирующим узлом, обосновать применение успокоителей или демпферов с целью повышения качества регулирования, выделить узлы, например, насосы, сортировки, бассейны, вносящие наибольшие возмущения в поток. Это позволяет обосновать способы уменьшения возмущений, предложить решения по изменению радиусов сужений концентрических переходов перед регулирующими клапанами и предсказать появление «танцующих» контуров в схеме.

В предлагаемом ниже исследовании мы рассмотрим, как можно было бы повысить эффективность регулирования и отсечки при помощи анализа гидравлических процессов в технологических схемах ЦБП.

Развитие гидравлического анализа было положено в 60х годах проф. Фоксом с открытием лаборатории в Лидсе, Англия. Лаборатория занималась расчетами нестационарных процессов и гидравлических ударов. Инженерные методы, развитые в этой лаборатории, с успехом опробованы на практике для действующих и проектируемых трубопроводов в технологических схемах предприятий химической промышленности, нефтепереработки, нефтехимии, энергетики, водного хозяйства, обработки сточных вод, подводных трубопроводов и др. Они позволили прогнозировать слабые участки с точки зрения, как гидравлического удара, так и возможных флуктуаций, возникающих при регулировании.

В настоящее время с развитием программы ANSYS и метода конечных элементов расчеты значительно упростились и могут быть применены в полном объеме. С удовлетворительной точностью может быть описано поведение системы во время пуска, выхода на стационарный режим и переходного периода после закрытияоткрытия арматуры, и поведение узлов самой арматуры, рис.1 и 2.

Рис. 1. Моделирование  ANSYS истечения потока в клапане. www. techgydr.ru

Рис.2. Моделирование поведения седла в клапане при различных характеристиках и давления среды. www.metso.com

Существует достаточно много пособий, которые расскажут о теории образования нестационарных процессов, волн или гидравлического удара. Однако инженерных приложений к конкретным технологическим схемам при их проектировании практически нет. В результате при проектировании закладываются значительные упрощения процесса, рассматриваются только стационарные режимы работы, приходится мириться с опасностью больших отклонений расчетных данных от фактических. В свою очередь это требует введения повышенных запасов. В итоге возрастают капиталовложения и снижается надежность проектирования.

Задачи, которые уже способны решать методы гидравлического анализа, могут предсказать появление стоячих волн и автоколебаний, участки образования зон с повышенной амплитудой, способствующих волнам давления или зон с пониженной амплитудой, где может происходить необратимое кавитационное вскипание транспортируемой среды.

На основе гидравлического анализа можно увидеть зоны, где вероятны гидравлические удары; возможно образование давления запирания; разрывы потока и повышенная турбулентность. Быстрое или медленное открытие или закрытие клапана является наиболее частым случаем возникновения гидравлических ударов в разветвленных сетях технологических трубопроводов. Гидравлические процессы непосредственно влияют на потерю регулирующей способности клапанов, также как и автоколебательные процессы, инерционность процессов и определяют подбор клапанов для условий медленных или быстрых процессов.

В задачи гидравлического анализа технологических схем входят:

- расчет гидравлических сопротивлений в зависимости от применяемой арматуры;

- расчет процесса регулирования с учетом реологии течения массы;

- расчет гидравлического удара и его влияние на регулирование и отсечку;

- прогнозирование вероятности разрыва потока;

- прогнозирование вероятных участков формирования резонанса в сети и у регулирующих узлов;

- расчеты вероятности линейного переуплотнения;

- расчеты вероятности запирания;

- расчеты вероятности газовыделения в процессе и их последствий для регулирования и отсечки;

- оценка влияния различных технологических аппаратов и оборудования на характеристики гидравлической сети и прогнозирование нежелательных частот пульсаций и колебаний бумажной массы;

- расчеты собственной виброактивности клапанов;

- расчеты резонансных явлений в клапане в зависимости от степени его открытия.

Простейшей формой гидравлического анализа является расчет и сравнение гидравлических сопротивлений в зависимости от применяемой арматуры. В такие расчеты могут входить:

- расчеты потребления энергии насосами при использовании различных типов арматуры;

- определение минимальных значений сужений арматуры, не влияющих на создание значительных гидравлических сопротивлений;

- расчеты и оптимизация переходов (концентрических, эксцентрических) перед регулирующим клапаном.

Известно, что седловая арматура (типа вентилей) обладает значительным гидравлическим сопротивлением, в разы превышающее гидравлическое сопротивление шаровых клапанов и поворотных заслонок. Однако часто этот фактор не учитывается при подготовке проектных спецификаций. Задачей гидравлического анализа в этом случае является расчет и сравнение потребления энергии насосами при применении различных типов арматуры на конкретных участках технологических схем. По результатам сравнения делается вывод об экономии энергии и применимости определенных типов арматуры.

Сложный характер течения бумажной массы, в которой может быть растворено много воздуха, значительно меняет особенности протекания волны давления по трубе, рис.3.

 

Рис. 3. Реологические кривые влияния концентрации на вязкость бумажной массы:

1 — вода; 2 — концентрация 0,3%; 3 — концентрация 0,6 %; 4 — концентрация 0,9%; 5 — концентрация 1,2 %; 6 — концентрация 1,5.

Так, традиционное уравнение периода колебаний массы для воды, вызванных очень резкими изменениями скорости и равных времени прохождения четырехкратной длины трубы со скоростью волны, т.е. 4LC, может отличаться для массы с различным содержанием воздуха в десятки раз.

Если по пути попадаются технологические аппараты, изменяется диаметр трубы, наличествуют сужения или расширения, то характер пульсаций в значительной степени искажается. Трение и реология бумажной массы окажут значительное влияние на время затухания возмущений. Тем не менее, количество отраженных волн обычно не бывает меньше 5-6 и все это время регулирование идет с помехами.

Хочется отметить, что это время является неиспользованным резервом регулирования. Поскольку волны идут достаточно быстро, то ни один клапан не в состоянии адекватно отреагировать на них. Обычно для управления в таких условиях расширяют допуски по отклонениям, усредняют процесс, удлиняют временные импульсы срабатывания клапанов при усреднении значения импульса в системе АСУ ТП. Это делается за счет ослабления настроек.

Однако, как уже ясно, это не отвечает точности регулирования. Лучшее решение может быть достигнуто на этапе проектирования регулирующего узла с учетом влияния возмущений в трубопроводе. В частности, можно предусмотреть успокоители, дополнительные уравнительные резервуары, рассчитать расстояние между источниками возмущений, с целью отстройки максимальной и минимальной амплитуды от собственной частоты регулирующего узла и т.п.

Расчет потерь при регулировании представляет собой наиболее сложную задачу. Для ее качественного решения необходимо иметь как математическую модель объекта регулирования и его характеристики, так и определить собственные характеристики клапана. Математическая модель объекта позволит сформировать требования к собственным характеристикам клапана и на этой основе спроектировать собственно клапан с максимальным учетом требований процесса.

Сравнение собственных характеристик клапанов между собой по степени достижения линейности характеристики в трубопроводе позволит дать еще более точные оценки совершенства регулирования при применении клапанов разных типов. Типовыми задачами являются расчеты потерь при отклонениях от идеальной линии регулирования, сравнение диапазонов регулирования, анализ поведения характеристик клапана на краях диапазона регулирования, уровень задаваемых возмущений в поток и т.п.

Решение таких задач наиболее характерно при анализе перевода регулирующих клапанов с вентилей на поворотные клапаны (шаровые краны, поворотные заслонки, сегментные клапаны). В частности, расчеты собственных характеристик седлового клапана при регулировании позволяют предсказать степень наличия автоколебаний при регулировании и автоколебаний в целом. Расчет размаха амплитуды колебаний позволяет дать рекомендации по назначению допусков на процесс на конкретном участке. Выделение наиболее характерного угла открытия и сравнение с изменением гидравлических сопротивлений при этом позволяет дать рекомендации по применению клапанов с широким диапазоном регулирования, изменению сужений перед регулирующим клапаном, изменению гидравлического режима при регулировании и др.

Наиболее часто встречающейся задачей при отсечке является появление гидравлического удара. В зависимости от длины трубопровода, перепада давлений, вязкости жидкости волна сжатия может двигаться по жидкости длительное время и приводить к образованию узлов давления в неожиданных местах, например, в зоне успокоения потока перед регулирующим клапаном. Для решения этой задачи применяются методы анализа движения жидкости в трубе и уравнения движения.

Расчеты позволяют оптимизировать режим открытия клапана в нижнем конце трубопровода или после крупного резервуара, например, мешального бассейна, бассейна хранения массы и др. В результате расчета удается сформировать графики изменения давления в зависимости от времени и угла открытия клапана и на этой основе дать оптимальные соотношения поведения клапанов при открытии. Такие же задачи можно решать и в случае медленного закрытия клапана.

Характерно, что неучет гидравлических процессов приводит к такому явлению, как разрыв потока. При этом вероятен как гидравлический удар, так и кавитация. Каждый из них приводит к потере регулирующей способности клапаном. Однако клапаны не управляют этими процессами, и тогда главной задачей можно считать правильное проектирование трубопровода, с ориентацией на задачи регулирования. Расчет задержки волны сжатия, разрежения и колебаний давления во времени и по длине трубопровода позволяет спрогнозировать наиболее слабые участки и принять меры по предотвращению вспенивания и кавитации.

В трубопроводах может возникать резонанс. Небольшие вынужденные колебания давления или расхода могут накладываться друг на друга, если их собственная частота кратна фазе гидравлического удара и это приводит к стоячей волне большой амплитуды. Это явление не раз становилось причиной больших аварий. Клапаны выбивались или разрывались трубопроводы при наложении вынужденных колебаний с малой амплитудой.

Часто причиной являются и собственные колебания клапанов, т.н. виброактивность клапанов, рис.4.

  

а)

б)

Рис.4. Примеры спектральных характеристик пульсаций давления в регулирующих клапанах энергоблоков (5)

а - при частичной нагрузке энергоблока;б - при номинальной нагрузке энергоблока.

Такие колебания возбуждают небольшие изменения давления или расхода. Когда уровень жидкости в резервуаре поднимается, то затвор клапана постепенно перекрывает отверстие. Когда отверстие почти закрывается, то это вызывает волну сжатия в подводящем трубопроводе. Увеличение давления вынуждает клапан отойти от уплотнения и через клапан снова устремляется поток жидкости. При этом возникает волна разрежения, которая двигается по трубе вслед за первоначальной волной сжатия. Клапан прижимается к седлу под влиянием силы, действующей на затвор. При этом он обладает собственной частотой колебаний, способной усиливать резонанс.

Если какая-либо гармоническая частота трубопровода (кратная основной частоте C4L) совпадает с собственной частотой клапана, то возникает резонанс. Это явление называют «пением» клапанов. Известны случаи, когда такое «пение», т.е. пульсации в акустическом диапазоне частот, приводило к быстрому выходу из строя клапанов. Это может происходить, в частности, из-за разбалтывания соединений, повышенной вибрации штоков и ускоренного старения полимерных материалов седел.

Для устранения причин вибрации нужно изменить гидравлические параметры или собственную виброхарактеристику клапана. Так, замена седла повышает жесткость, установка демпферов позволяет отстроить частоту трубопровода от частоты клапана, простой грузик изменит массу клапана и плеча момента. Труба большего диаметра также уменьшит амплитуду вынужденной вибрации.

Источником возникновения резонанса могут стать различные аппараты. Пульсации массы, приходящей в бассейн хранения готовой массы, может разогнать «волну», частота которой может совпасть с гармонической или основной частотой трубопровода, в результате чего возникнет резонанс. В свою очередь это приведет к вибрации клапанов на трубопроводе, пульсациям массы и, в конечном итоге, к резкому снижению качества регулирования.

Даже малые утечки в клапанах могут стать источниками резонанса. В больших трубах, если появляется течь через уплотнение, утечка жидкости может вызвать вибрацию, которая образует малые волны сжатия, распространяющиеся вверх по трубе. При кажущемся отсутствии течения по трубе она в скором времени разрушится, особенно если работает на изгиб.

Клапаны с большими автоколебаниями также вызывают резонанс, если их собственная частота совпадает с собственной частотой трубопровода, а демпфирование недостаточно. Примерами таких клапанов могут быть управляемые регулятором игольчатые клапаны турбин Пельтона, поворотно-дисковые клапаны Флэйм и др.

В настоящее время уже существуют методы, позволяющие провести трудоемкие расчеты подобных явлений, и значительно снизить вероятность появления резонанса проектируемых технологических схем. Так, результаты расчетов сопротивлений элементов сети приводят к ряду характерных частот, которые зависят от скорости волн давления. Таким образом, можно оценить вероятность возникновения и развития условий резонанса в сети при приложении вынужденных колебаний.

Если частоты, вызывающие резонанс, отсутствуют, то трубопроводная сеть в безопасности. Предварительный расчет сети на опасные частоты позволяет иметь этот вопрос под контролем при дальнейшем проектировании трубопровода и установке арматуры. При этом основой расчета вынужденных колебаний в точке может стать разложение спектра частот в ряды Фурье, рис. 5.

При помощи этого метода амплитуду волны сжатия и колебаний расхода можно найти практически в любой точке трубопровода. Аналогично производится анализ вынужденных колебаний давлений, создаваемых клапанами.

Вынужденные колебания возникают из-за действия многих аппаратов, одновременно работающих в сети. Примерами таких трубопроводов является трубопровод, сообщающийся с двумя и более резервуарами, на поверхности которых возникают волны различных типов с разными частотами. На электростанциях вынужденные колебания могут вызвать турбины, если к ним подведены асимметричные трубопроводы. Типы волн давления показаны на рис. 6 и 7.

Рис. 6. Типы волн, возникающих в трубопроводах. www.encyclopedia.biga.ru

Рис. 7. Модель образования волн изгиба при смещении ядра потока в эпюре скоростей и изменении давления при прохождении потока через колена трубопровода

Насосы могут вызвать вынужденные колебания на линии нагнетания,  действующие на низовой трубопровод, а линии всасывания – вынужденные колебания, действующие на верховой трубопровод. Если на трубопроводе установлен байпас, то на него будут действовать два вынужденных колебания. Такие примеры часто можно найти в технологических схемах ЦБП.

Когда клапан на нижнем конце трубопровода быстро уменьшает расход до нуля, то волна с крутым фронтом распространяется вверх по потоку. По мере того, как замедляются последующие слои жидкости, давление в них повышается и передается вниз по потоку через жидкость, находящуюся почти в стационарном состоянии с сохранением своего уровня давления.

Так как давление в жидкости, перед тем как на него повлияла волна под действием трения выше, чем начальное давление в слоях жидкости по направлению потока, то это более высокое давление также передается вниз по потоку вместе с повышением давления, вызванного изменением количества движения из-за изменения скорости. Поэтому, по мере того как волна продвигается вверх по потоку, давление у нижнего кольца, где расположен клапан, продолжает повышаться после того, как первоначальное возмущение со скрытым фронтом уже было создано. Жидкость в трубе между волной и низовым клапаном подвергается постепенно увеличивающемуся давлению.

Таким образом, несмотря на то, что скорость непосредственно за волной около клапана равна нулю, она увеличивается по мере перемещения волны вверх по потоку, чтобы компенсировать отток жидкости вниз по потоку для заполнения пространства, возникающего из-за сжатия жидкости. Поэтому изменение скорости в волне уменьшается, и высота волны убывает. Это явление увеличения давления после прохождения волны называют линейным переуплотнением. Противоположное ему явление уменьшения давления по мере продвижения волны верх по потоку также возможно, его называют затуханием.

В трубопроводе с клапаном на нижнем конце и насосом, оборудованным обратным клапаном на верхнем конце, при закрытии клапана может проходить явление, получившее название «запирание». Закрытие клапана создает повышение давления - волну сжатия, которая распространяется вверх по потоку по направлению к насосу. Когда она достигает насоса, то это сдвигает рабочую точку насоса вверх по характеристике H-Q, что приводит к повышению давления.

Из-за взаимодействия насоса с набегающей волной возникает отражение, которое перемещается вниз по потоку к закрытому клапану, где отражается с положительным знаком и возвращается назад к насосу. В течение времени прохождения волны вниз к клапану и назад насос будет подавать уменьшенный расход жидкости в трубу, которая закрыта на нижнем конце. В конце концов, после одного или нескольких фаз гидравлического удара давление вниз от насоса станет больше чем напор при нулевом расходе через насос и обратный клапан закроется.

Сложная система волн будет распространяться вверх и вниз по трубопроводу с постепенным затуханием. В течение этого времени давление насоса может на короткое время стать меньше, чем напор при нулевом расходе, и насос подаст некоторое количество жидкости в трубу. В конце концов, подвод жидкости прекратится во всех точках трубопровода, а давление, установившееся в нем, может оказаться значительно выше, чем давление, создаваемое насосом при нулевом расходе. Если обратный клапан и клапан на нижнем конце не имеют течи, то давление сохранится в трубе и это и будет давление запирания.

В длинных трубопроводах давление запирания может быть очень большим. Известны случаи, когда давление запирания превосходило напор в 1,5 раза при нулевом расходе, что может быть весьма опасно. В связи с этим важно регулировать отсечку запорной арматуры таким образом, чтобы не создавать давление запирания и обеспечить небольшой отток жидкости. Он позволит существенно снизить давление.

Интересным решением может быть применение в арматуре уплотнения типа Flexible leaps, имеющего т.н. губу, способную расширяться, и тем самым в определенных пределах снижать давление, рис.8. Расчет такого клапана и его моделирование может быть проведено методами гидравлического анализа по его пропускной способности (Кv).

Одной из важных проблем расчета является точный учет количества растворенных газов в массе. Почти все жидкости содержат растворенные газы и воздух. Обычно они находятся в виде пузырьков. Когда давление в жидкости увеличивается, пузырьки уменьшаются, когда давление увеличивается, они расширяются. В результате объемный модуль сжатия жидкости изменяется с давлением.

Поскольку скорость волны зависит от объемного модуля сжатия, она зависит и от давления. Изменение скорости волны при этом может быть очень большим. Так, содержание свободного воздуха в количестве 0,01% может приводить к уменьшению скорости распространения волны с 1300 до 100мс только из-за изменения давления. Меняется и характер распространения волн давления. Он становится более сложным.

Наличие растворенных газов с размытой характеристикой вскипания приводит к большой неопределенности в расчете волн давления. В частности в обычной воде всегда присутствует до 2% растворенных газов на каждую атмосферу давления, в нефти – еще больше. В зонах пониженного давления при нестационарных режимах растворенный газ может выделяться из жидкости в свободной форме в виде пузырьков, увеличивая количество пузырьков и значительно уменьшая скорость волны.

Влияние газовыделения особенно заметно на следующем примере. Если при атмосферном давлении для воды содержание насыщенного газа составляет 2% по объему, то при снижении давления до половины атмосферного, из воды выделится газ в виде пузырьков в количестве 1% по объему при достаточном для этого процесса времени. При этом, при возникновении нестационарного разрежения, время, в течение которого происходит выделение или поглощение газа, много меньше времени, необходимого для установления равновесия. Поэтому газ, выделившийся при прохождении нестационарного разрежения, будет всегда оказывать значительное влияние на процессы регулирования. Добавляя к этому турбулентность и усиление газовыделения при турбулизации потока, становится ясным, что вопросы организации потока перед регулирующим клапаном еще больше усложняются.

Выделившийся газ вносит резкие возмущения и способствует большим ошибкам при регулировании. Так, выделившиеся 2% газа по массе будут соответствовать 8% по объему при напоре, высвобождающем газ, и гораздо больше при снижении давления. Предположения, делаемые при расчете клапанов (например, что вся масса или вода деаэрирована), оказываются в значительной степени ошибочными. Расчеты с целью определения участков с низким давлением, позволяют спрогнозировать поведение потока и устранить нежелательные явления. Они позволят провести диагностику такого потока и убедиться, что устройства для подавления срыва потока предотвращают распространение областей низкого давления.

Собственно разрежение, образующееся в трубопроводах, неприемлемо, поскольку сильно изменяет давление. Из-за него появляются силы, деформирующие трубопровод, а иногда и корпус клапана. Так, известно, что изгиб трубы легко передается на корпус клапана с образованием радиальных пульсаций. Это в свою очередь приводит к росту напряжений между клапанами и опорами или фланцевыми соединениями. Регулирование при таких условиях затрудняется.

Другой проблемой может быть резонанс образующихся воздушных или газовых пузырьков с затворами клапанов. Колебания давления, вызываемые большими воздушными пузырьками, входят в резонанс со створками обратных клапанов, образуя стоячие волны, рис.9. Известно, что стоячие волны такого рода уже были причиной катастрофических разрушений трубопроводов.

Рис. 9. Стоячие волны в трубопроводах. www.sci-lib.ru

Нестационарные возмущения могут создавать сильно отличающиеся давления в различных участках трубопровода. В одно и тоже время в одной точке трубопровода скорость волны может доходить до 1000 мс, в другой до 10мс. Неучет этого эффекта обязательно приводит к ошибке в регулировании.

Тип привода на клапане также может быть источником значительных возмущений. Так, современные магистральные трубопроводы и трубопроводы ТЭС снабжаются электроприводами. Описание поведения таких приводов весьма сложно. Проблемой является разный масштаб времени работы клапанов и фазы гидравлического удара, трудности в регулировании скорости открытиязакрытия арматуры в частности из-за многопараметрического характера работы клапанов.

При гидравлическом анализе проводятся расчеты изменения напора и расхода при предлагаемой компоновке агрегатов (насосов, сортировок, бассейнов, резервуаров, клапанов) между собой. Общей целью является расчет волн давления и узловых точек по сети при различных условиях работы оборудования, например, при пуске и останове насосов, по-разному включенных в сеть. Результатами расчета будут предложения по изменению компоновки трубопровода, изменению режимов работы насоса при переходных режимах, установке уравнительных резервуаров, подключению байпасов и пр.

До сих пор не рассчитываются негативные эффекты, связанные с повышением давления при быстром закрытии клапанов. Однако известно, что эта проблема весьма существенна. Так, в обычной стальной трубе внезапное закрытие клапана будет создавать повышение напора жидкости на 125 м при изменении скорости всего на 1 мс. Поэтому, для работы на скоростях потока более 10 мс необходимо создавать условия работы клапана, при которых он не будет закрываться очень быстро. Виды возникающих волн давления показаны на рис. 10.

 

Рис. 10. Волны давления при закрытии клапана

 а) в тупиковом отводе; б) при гейзерном выбросе среды и открытии клапана; в) при транспортировании жидкости с паровыми включениями; 1 – давление в магистрали; 2 – давление в системе при появлении неустановившихся процессов

Внезапное закрытие клапанов не является главной проблемой. Динамичное регулирование или частичное и постепенное закрытие клапана также может привести к весьма большому повышению давления в трубопроводе. Хотя это давление не является наибольшим, однако, формируется линейное переуплотнение потока, которое может создавать на длинных участках трубопровода высокое давление.

Поясним это явление. На каждом шаге закрытия клапана создается волна, которая начинает распространяться через небольшой промежуток времени после предшествующей. Волны налагаются друг на друга и давление у клапана повышается. Если окончательное закрытие клапана произойдет до того, как вернется первая отраженная волна разрежения, то сумма перепадов давления всех волн будет равна повышению давления при быстром закрытии клапана при той же начальной скорости. Форма волны при этом будет иной, чем при быстром закрытии клапана, но ее наибольшая амплитуда будет такой же. Это явление возникает, если закрытие клапана производится за время меньшее, чем фаза гидравлического удара 2LC.

Явление устраняется, если закрытие клапана производится медленнее и отраженные волны разрежения возвращаются до окончания закрытия клапана. В результате уменьшается степень повышения давления, а может быть, давление даже понизится. Это показывают расчеты. Таким образом, можно гарантировать, что повышение давления, вызванное закрытием клапана за время меньшее 2LC, будет иметь пик давления меньший, чем при внезапном закрытии клапана.

Длина трубопроводов как внутри предприятий, так сетей или магистральных трубопроводов может достигать значительной величины. Распространение волн давления в них имеют свои особенности. Для примера, фаза гидравлического удара на длине трубопровода в 100 км составляет более 200 с. Закрытие клапана на конце такого трубопровода за время 3 мин 20 с может показаться медленным, однако в действительности оно является внезапным закрытием с максимальными амплитудами нестационарных эффектов. Теперь ясно, что рассматривать темп закрытия клапана в терминах «быстро» или «медленно» нельзя без предварительного расчета фазы гидравлического удара (2LC) и периода колебаний волны гидравлического удара (4LC).

Зная основные закономерности прохождения волн по трубопроводу и наложения их друг на друга, успешно решаются задачи анализа изменения давления в системах «клапан – резервуар» и др. В частности, может быть рассчитан весь период закрытия клапана. Решение, полученное при анализе первой фазы закрытия клапана, используется при последующем. Общее решение находится в результате цепного процесса расчета. При решении задачи аналитическим или графическим методом удается определить условия, при которых могут проявиться пульсации напора в указанной системе, превышающие статический напор резервуара. В частности, на предприятиях ЦБП это может быть характерно для трубопроводов большого диаметра.

Уже есть решения для условий отражения от резервуара и закрытого конца, для волны у нижнего конца трубопровода к верхнему, и наоборот. Также ясны граничные условия протекания пульсаций из-за разной скорости закрытияоткрытия клапанов. Для сложных жидкостей могут быть рассчитаны условия трения, графики колебаний давления после закрытия клапанов. Находятся решения и для анализа изменения пульсаций в сложных переходах и соединениях труб. С учетом сложности и разветвленности трубопровода находятся точки, где давление достигает максимальных и минимальных значений. Важно знать, что оно достигается в промежуточных точках трубопровода, а не на его концах. Это определяет вероятность местного вскипания массы и образования двухфазного потока, с трудом поддающегося регулированию.

Изменение параметров работы каждого аппарата приводит к определенным возмущениям. Выключение насоса после стационарной работы приводит к нестационарному возмущению, которое распространяется вниз по потоку. Если ниже по потоку находится резервуар, то волна отражается и возвращается в насос. Если насос снабжен обратным клапаном, то возникает волна сжатия, что приводит к возвратному течению, закрывающему этот клапан. В свою очередь это вызывает волну давления вниз по течению, которое передаст нестационарное возмущение в виде интенсивной волны сжатия.

В зависимости от длины напорного участка инерционная энергия может быть весьма значительна, а фаза гидравлического удара мала. Если фаза гидравлического удара высока по сравнению с периодом остановки насоса, то пики давления могут «плавать» по трубе и потребуется рассчитать, в каких точках пульсации давления и расхода будут особенно выражены.

Проблемы, связанные с целью стабилизации потока перед регулированием могут решаться при помощи уравнительных резервуаров, баков постоянного уровня и пр. Уравнительный резервуар – это емкость, соединенная с трубопроводами, предназначенная для преобразования больших высокочастотных колебаний давления на переходном режиме в низкочастотные колебания массы с небольшими амплитудами давления, воспринимаемыми контурами регулирования.

Простейшим примером уравнительного резервуара является соединенная с трубопроводом вертикальная труба сравнительно большого диаметра, расположенная около регулирующего клапана. Когда регулирующий клапан стремится быстро изменить скорость жидкости, она может войти в резервуар почти без сопротивления. По мере того, как все больше и больше жидкости входит в резервуар, уровень внутри него растет, при этом медленно повышается напор, тормозящий жидкость в трубопроводе. Так как для поднятия уровня жидкости в него должен войти относительно большой объем жидкости, то период пиковых давлений, устанавливающихся на трубопроводе, будет велик. Поэтому торможение происходит медленно и максимум давления сильно уменьшается.

В случае, если пропускной способности клапана на ранних стадиях открытия затвора не хватает, то подобные уравнительные резервуары также могут стать источником дополнительного объема жидкости, обеспечивая перевод характеристики в более благоприятную для регулирования область.

Необходимо помнить, что и сам уравнительный резервуар может стать источником возмущений из-за колебаний уровня. Частота колебаний или каких-либо гармоник может совпасть с собственной частотой регулирующего клапана. Если это произойдет, то регулирующий клапан может войти в резонанс и тогда система в целом станет неработоспособной. Другим проявлением этой же проблемы являются «танцующие» контура, рис.11.

Рис. 11. «Танцующие» разбавительный контур и контур регулирования концентрации в схеме регулирования веса м2 в бумагоделательных машинах. www.metso.com

Изменение уровня в массном бассейне и соответствующее резонирование давления в сопряженных контурах разбавления и концентрации меняет давление в контуре регулирования концентрации и приводит к значительным вариациям в значении концентрации, что недопустимо.

Чтобы избежать этого явления требуется расчет резонанса в зависимости от используемого регулирующего клапана и резервуара. Целью расчета является отстройка параметров волн давления от рабочих характеристик клапана и устранение резонанса.

Применение методов гидравлического анализа позволит предсказать работоспособность регулирующего узла и предложить пути устранения возмущений перед регулирующим клапаном. В частности одним из следствий расчета может быть подбор уравнительного резервуара для сглаживания колебаний массы и волн давления перед регулирующим клапаном. Такая задача часто встречается в технологических схемах ЦБП.

Отметим, что хотя инерционные давления, возникающие в условиях работы уравнительных резервуаров, малы, но, не исключается, что они могут быть достаточными для возникновения резонанса по типу «органной трубы» в верхней по потоку части трубопровода и могут стать источником высоких давлений в узловых точках. Способность уменьшить резонансные явления должна накладываться на весь контур в целом, включая и повышение точности датчиков уровня.

Задача снижения передачи пульсаций в процесс при закрытии отсечных клапанов может быть решена и другими способами. Например, устройство Switch Guard компании Метсо (рис.12) позволяет так организовать закрытие клапана, при котором в конце процесса, наиболее опасной зоне формирования гидроудара небольшая остаточная часть массы может быть выпущена, что предотвратит образование волны давления. Основой такого решения является расчет волны давления, требуемого перепуска массы и программирование интеллектуального устройства Switch Guard, рис. 13.

Рис. 12. Устройство интеллектуальной отсечки Switch Guard. www. metso.com

1 – для быстрого выхода из зоны кавитации

2 – для условий быстрого открытия

3 – для максимально пропорциональной характеристики открытия и условий работы в АСУ ТП

4 – для условий поддержания плавности потока на открытии и закрытии

5 – для условий равнопроцентной характеристики расхода

Сложные соединения труб. Одной из задач гидравлического анализа может быть учет возмущений, которые формируют сложные соединения труб, например, коллекторы. В общем случае известны соединения до 5 и более труб. Соединение может быть низовым, где поток направлен к соединению или верховым, из которого происходит разделение потока. Важным моментом является то, что решение задачи определения прохождения пульсаций через них имеет решение (1).

Сочленения. Сочленения представляют собой соединение двух труб. В таких сочленениях может находиться трехходовой клапан. Между трубами может находиться обратный клапан. Таких сочленений по технологической схеме может быть достаточно много. Для нас важным является то, что они могут быть рассчитаны с использованием подпрограмм гидравлического анализа нестационарных процессов трубопроводной сети.

Демпферы и воздушные колпаки. В случае использования воздушных колпаков колебания массы часто сводятся до ничтожно малых значений. Для расчета воздушных колпаков и демпферов имеются соответствующие подпрограммы.

В условиях возможного образования воздуха, или воды с большим содержанием воздуха, накладываются ограничения по способам заполнения трубопровода, рис. 14. Это позволяет избежать кислородной коррозии из-за присутствия воздуха в глухих ответвлениях трубопроводах и в установленной на этих участках арматуре.

Рис.14. Установка поворотной заслонки серии L9 в глухих ответвлениях магистральных теплопроводов. www.metso.com

Клапаны с приводом. Клапан с автоматическим приводом является частью трубопроводной сети. Он может быть установлен в любой его точке. Ограничения начинают накладываться тогда, когда выявляются пульсации и узловые точки волн давления по трубопроводу, где его устанавливать нежелательно. Задачи расчета потерь давления и расхода и сопутствующих явлений (кавитации, вспенивания) могут быть рассчитаны по известным методикам.

При анализе регулирующего клапана с приводом, отработке гидравлического процесса и схемного решения вблизи клапана необходимо учесть, что регулирующие клапаны, как правило, требуют установки сужений. Ими выступают концентрические или эксцентрические переходы в зависимости от установки на горизонтальном или вертикальном трубопроводе.

Даже простые способы увеличения гидравлической гладкости, такие как замена прямолинейных поверхностей перехода криволинейными, соответствующими особенностям протекания массы могут внести свой вклад в снижение турбулентности потока и создать более благоприятные условия для регулирования, рис.15.

Рис. 15. Примеры концентрических переходов и способы повышения их гидравлической гладкости (показаны штриховой линией)

В случае если клапан не справляется с предложенными для регулирования средами с характеристиками расхода, давления, перепада давлений и температурами, выходящими за пределы его возможностей, и требует большого неоптимального сужения, то этот вопрос можно решать организацией потока среды перед клапаном. В виде инструментов могут выступать вставка - успокоитель потока S-PLATE, рис.16 или более длинный конус по сравнению со стандартом. В частности, для обеспечения низкой турбулентности угол расширения конуса должен быть меньше 30о. При этом он уменьшит потери на 15% при отношении расширения 1:4, тогда как при отношении расширения 1:9 такой конус создает соответствующую турбулентность и увеличивает сопротивление до 33%.

Рис. 16. Устранение турбулентности при помощи «успокоителей потока» S-Plate.www.metso.com

Регуляторы прямого действия. Регуляторы прямого действия, например, с мембраной или следящим электроприводом широко применяются в технологических схемах. Обычно требуется, чтобы клапан начинал открываться или закрываться, если давление вблизи датчика поднялось или опустилось ниже или выше критического значения.

Если давление продолжает повышаться или понижаться, то клапан будет двигаться так, чтобы отрегулировать изменение давления и, достигнув другое заданное значение, он закроется или откроется. Таким образом, клапан открываетсязакрывается, когда давление у датчика изменяется в определенном интервале давлений.

Проблемой работы клапана может стать изменение частоты пульсаций давления. Если давление изменяется медленно, то клапан успевает двигаться в соответствии с колебанием давления, если изменения давления происходят быстро, то изменение хода клапана может совпасть с фазой изменения давления и войти в резонанс. Таким образом, при подборе клапана необходимо учитывать критические частоты изменения давления, характеризовать их и показывать пути отстройки от резонанса.

Резервуары. Традиционно резервуары оснащаются 4 типами клапанов:

1) запорным, который может быть или открыт или закрыт;

2) обратным, который обеспечивает течение только в резервуар;

3) обратным, который обеспечивает течение только из резервуара;

4) регулирующим, обеспечивающим регулирование потока из резервуара или в резервуар.

В расчете задаваемых пульсаций нужно учесть тип резервуара – низовой или верховой. Условия расчета резко усложняются, если используются не простые резервуары, а более сложные. Например, ими могут быть стоки из коллекторов, резервуары малого сечения со сливом, наличие тяжелых условий выхода из трубы в резервуар, наличие дополнительных емкостей, резервуаров с переливом и т.п. Тем не менее, выделяя каждый из них в отдельности, можно провести расчет изменений давлений и расхода с достаточной точностью.

Колена. Правильно сконструированные колена не отражают входящие в них нестационарные волны давления. Тем не менее, как было показано ранее (статья «Выбор арматуры для условий пульсаций и гидроударов ТПА экспресс №12010), ядро потока начинает колебаться из-за смещения эпюры скоростей. Результатом становятся проблемы, связанные с закручиванием потока и резким уменьшением ламинарности потока и стабильности расхода. Если длина участка после колена до регулирующего узла недостаточна для успокоения потока, то должны приниматься дополнительные меры, такие как установка демпферов и успокоителей. В связи с сильным динамическим моментом поворотную арматуру принято устанавливать осью по направлению к оси трубы до колена, рис. 17. Особенно правильная установка важна для поворотной арматуры в регулирующем исполнении.

Рис. 17. Установка поворотной заслонки большого диаметра L9 после колена. www.metso.com

Аналогичные задачи решаются при установке арматуры сразу после насосов. Ось поворотной заслонки должна быть перпендикулярна оси центробежного насоса, рис. 18.

Рис.18. Установка поворотной заслонки большого диаметра L9 после центробежного насоса. www.metso.com

Отметим также, что во многих случаях для успокоения потока используется удлинение участка перед регулирующим клапаном по соотношению длины трубы к диаметру LD в зависимости от особенностей среды, в частности, ее вязкости.

Для начала работы должна быть описана топология трубопроводной сети, где используется кодирование каждого из ее элементов. С помощью кодов описывается наличие или отсутствие конкретного элемента, влияющего на гидравлический процесс: насоса, турбины, технологических аппаратов, резервуаров, клапанов.

1.Маршрутизация. Подготавливается схема сети. В схему включаются все элементы и кодируются с учетом их последовательности. В схему вводятся стрелки, указывающие направления потока. После кодирования и маршрутизации основных элементов сети кодируются трубы, начиная с соединений и сочленений. Создается маршрутный массив для возможности программирования расчета.

2.Описание трубопроводной сети. Далее создается массив «сеть» со следующими переменными: 1) длина трубы, 2) диаметр трубы, 3) толщина стенок трубы, 4) шероховатость трубы, 5) модуль упругости материала стенок трубы.

3.Описание профилей трубопроводов. Формируется массив «подсеть» профилей трубопроводов. Он формируется с учетом превышения осевой линии трубы над точкой отсчета с целью определения потенциального напора. Вспомогательные массивы хранят данные о расстояниях от начала каждой трубы до точек превышения осевой линии над точкой отчета.

4.Описание резервуаров. Составляется массив «резервуар». Он делится на массив «верховой резервуар», в который вносятся данные об уровне среды в каждом резервуаре и «низовой резервуар», в который вносятся данные об уровне среды, площади поверхности, и др.

5.Описание насоса. Создается массив «насос». В нем содержатся данные (до 36 переменных) на каждый насос. Они содержат данные, описывающие характеристики насосов, т.е. зависимости напора Н от расхода Q, к.п.д. от расхода Q, и др.

6.Описание продольного профиля трубы в интервалах расчета. Создается массив для каждой трубы в сети. В массиве хранятся данные о превышении осевой линии трубы в интервалах расчета.

7.Программирование работы. Создав массивы, занеся все необходимые данные по своим ячейкам в различных массивах, обеспечивается вызов процедур в нужный момент в соответствии с управляющей последовательностью. При этом на каждом шаге по времени вся сеть сканируется по последовательности номеров труб. На каждом шаге просматриваются местные условия, чтобы определить, какую подпрограмму следует применить для расчета потенциального напора и скорости в данной точке в следующий интервал.

Расчеты по последовательности маршрута затем суммируются, и результаты расчета выводятся на печать или графопостроитель.

Завершив один цикл расчета сети по моделируемому интервалу времени Т, цикл расчета повторяется по интервалу времени Т+∆Т. Процесс повторяется до тех пор, пока время расчета не станет равным или несколько большим, чем заданное время моделирования.

Результаты вывода на графопостроитель и сравниваются с критическими для сети напорами, пульсациями давления и колебаниями расхода, что выявит наиболее слабые участки схемы. С учетом этих данных можно моделировать места установки клапанов, необходимость применения специальных средств для подавления возмущений потока, вводить уточненные исходные данные для расчета регулирующих клапанов и узлов и т.п.

Сложные задачи определения пульсаций и колебаний расходов с целью повышения качества регулирования и отсечки до сих пор не рассматривались в проектных спецификациях клапанов. Во многом это было связано с отсутствием методик расчета волн давления по сложным и разветвленным схемам, отсутствием описаний гидравлических характеристик аппаратов, сложностью создания математического аппарата и трудоемкостью расчетов.

Тем не менее, методы гидравлического анализа успешно работают и, благодаря ним, удается обнаруживать слабые места в технологических схемах, предсказывать вероятность колебаний расхода, пульсаций давления и гидроударов, совершенствовать совместную работу арматуры и трубопроводов.

Доказанная точность таких расчетов позволяет по-новому взглянуть на работу клапанов, когда речь идет о совершенствовании регулирования и предложить новые подходы к конструированию узлов регулирования и отсечки.

1.Д.А.Фокс. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. М., Энергоатомиздат, 1981, 248 стр.

2.Тотухов Ю.А., Суриков В.Н., Горобченко С.Л., О необходимости технологической поверки клапанов, в журнале ТПА №62010

3.Тотухов Ю.А., Суриков В.Н., Горобченко С.Л., «Выбор клапанов для условий пульсаций и гидроударов», в журнале ТПА экспресс №012010.

4.Тотухов Ю.А., Суриков В.Н., Горобченко С.Л. «Современный подход к арматуре узла вихревого очистителя целлюлозно-бумажного производства», в журнале ТПА№52011.

5.Касилов В. Ф., канд. техн. наук, Калинин С. В., Гвоздев В. М., Карташов В. С. Емельянов Е. М., Исследование виброактивности регулирующих клапанов системы парораспределения ЦВД паровой турбины К-200-130 в журнале Теплоэнергетика N 11&