Применение систем регулирования давления

Существует много причин для снижения давления пара, а иногда и для его поддержания на постоянном уровне. В этом материале рассматриваются типовые применения самодействующих регуляторов прямого действия, пилотных, пневматических, электрических и электропневматических систем регулирования давления, а также их преимущества и недостатки.

#Самодействующий редукционный клапан прямого действия - сильфонный

Описание В этом самодействующем регуляторе давления давление после клапана (регулируемое давление) уравновешивается через сильфон усилием пружины. Преимущества:

• недорогой;
• компактный;
• прост в монтаже;
• очень прочный, с большим сроком службы и минимальным техническим обслуживанием;
• устойчив к неидеальному состоянию пара;
• самодействующий принцип означает, что внешнее питание не требуется. Недостатки:
• только пропорциональное регулирование;
• пропорциональная зона составляет 30% - 40% от давления до клапана;
• широкая пропорциональная зона означает, что максимальный расход достигается только при значительном падении давления после клапана; поэтому пониженное давление будет меняться в зависимости от расхода;
• ограничен по размеру;
• ограничен по расходу;
• изменение давления до клапана вызывает изменение давления после клапана. Применения: Некритичные применения со средней нагрузкой и постоянным рабочим расходом, например:
• небольшие рубашечные котлы и ёмкости;
• спутниковые паровые линии;
• гладильные машины;
• небольшие резервуары;
• кислотные ванны;
• небольшие аккумулирующие водонагреватели;
• unit heaters;
• небольшие нагревательные батареи;
• OEM equipment. Важно отметить:

1. Существуют разные исполнения для пара, сжатого воздуха и воды.
2. Для газов могут быть доступны версии с мягким седлом.
3. Широкий выбор материалов корпуса позволяет удовлетворять различные стандарты, условия применения и предпочтения.
4. Из-за широкой пропорциональной зоны требуется осторожность, если предохранительный клапан должен быть настроен близко к рабочему давлению.

#Самодействующий редукционный клапан прямого действия - мембранный

В этом самодействующем регуляторе давления давление после клапана (регулируемое давление) уравновешивается через мембрану усилием пружины. Преимущества:

• очень прочный;
• устойчив к влажному и загрязнённому пару;
• выпускается в больших размерах, поэтому возможны высокие расходы;
• легко настраивается и регулируется;
• простая конструкция облегчает техническое обслуживание;
• самодействующий принцип означает, что внешнее питание не требуется;
• способен работать при перепадах давления 50:1 для малых размеров и 10:1 для больших размеров. Недостатки:
• широкая пропорциональная зона делает маловероятным точное поддержание давления после клапана при значительных изменениях нагрузки;
• относительно высокая первоначальная стоимость, но низкая стоимость владения за жизненный цикл;
• крупные габариты. Применение:
• распределительные магистрали;
• котельные. Важно отметить:

1. Поскольку мембрана имеет относительно низкое допустимое температурное ограничение, на паровых применениях требуется водяной затвор. Это немного увеличивает стоимость.
2. Из-за широкой пропорциональной зоны этот тип клапана лучше подходит для понижения давления пара на участок установки, а не на отдельную единицу оборудования.
3. Шток с сильфонным уплотнением обеспечивает отсутствие технического обслуживания и отсутствие выбросов.
4. Хотя широкая пропорциональная зона обеспечивает устойчивость, требуется осторожность, если предохранительный клапан должен быть настроен близко к рабочему давлению оборудования.
5. Подходит для жидкостей.
6. Дороже пилотного клапана, но дешевле пневматической системы управления.

#Самодействующий редукционный клапан с пилотным управлением

Описание Эти клапаны имеют более сложную самодействующую конструкцию и работают, воспринимая давление после клапана через пилотный клапан, который, в свою очередь, управляет основным клапаном.

Это обеспечивает очень узкую пропорциональную зону, обычно менее 200 kPa.

Вместе с малым hysterisis это даёт очень точное и повторяемое регулирование давления даже при существенно изменяющемся расходе. Преимущества:

• точное и стабильное регулирование давления даже при высоком и переменном расходе;
• на одном основном клапане можно использовать различные пилотные клапаны. Варианты включают электрический override, multi-pilot для выбора разных регулируемых давлений, функцию surplussing и дистанционное управление, а также различные комбинации регулирования температуры/давления;
• самодействующий принцип означает, что внешнее питание не требуется;
• устойчив к изменениям давления до клапана. Недостатки:
• дороже сильфонных регуляторов прямого действия;
• небольшие зазоры означают, что пар должен быть чистым и сухим для обеспечения долговечности, но этого легко добиться установкой фильтра и сепаратора перед редукционным клапаном. Применение:
• системы, требующие точного и стабильного регулирования давления, а также установки со средним и переменным расходом. Например: автоклавы, высоконагруженное оборудование, такое как теплообменники и calorifiers;
• системы с ограниченным монтажным пространством. Важно отметить:

1. Монтаж обязательно должен включать фильтр и сепаратор.
2. При одинаковом размере пилотные клапаны дороже сильфонных самодействующих регуляторов, но дешевле мембранных самодействующих.
3. При одинаковом размере их пропускная способность выше, чем у сильфонных самодействующих регуляторов, но ниже, чем у мембранных.
4. Их можно устанавливать перед клапанами регулирования температуры для поддержания постоянного давления до клапана и, следовательно, стабилизации регулирования.
5. Не подходят для жидкостей.
6. Не следует использовать, если оборудование подвержено вибрации или другое оборудование вызывает пульсации потока.

#Пневматическое снижение давления

Описание Такие системы управления могут включать:

• функции P + I + D для повышения точности при изменяющейся нагрузке;
• уставки, которые можно изменять дистанционно. Преимущества:
• очень высокая точность и гибкость;
• отсутствие ограничения по размеру клапана в пределах размерного ряда;
• приемлемый коэффициент диапазона регулирования 50:1 (обычно для globe control valve);
• пригодность для опасных зон;
• отсутствие необходимости в электрическом питании;
• высокая скорость срабатывания, обеспечивающая хорошую реакцию на быстрые изменения спроса;
• очень мощный привод, способный работать при больших перепадах давления на клапане. Недостатки:
• дороже самодействующих регуляторов;
• сложнее самодействующих регуляторов;
• не программируется напрямую. Применение: Системы, требующие точного и стабильного регулирования давления, а также установки с высоким и переменным расходом и/или переменным либо высоким давлением до клапана. Например: автоклавы, крупные теплообменники и calorifiers. Важно отметить:

1. Требуется чистый и сухой воздух.
2. Для монтажа требуется квалифицированный персонал, а для калибровки и commissioning - специалисты по КИП.
3. Управление является stand-alone и не может взаимодействовать с PLCs (Programmable Logic Controllers).
4. Режим отказа может быть критичен. Например, spring-to-close при потере воздуха является нормальным решением для паровых систем.

#Электропневматическое снижение давления

Описание Такие системы управления могут включать:

• функции P + I + D для повышения точности при изменяющейся нагрузке;
• уставки, которые можно изменять дистанционно, с возможностью формирования ramps между уставками. Преимущества:
• очень высокая точность и гибкость;
• дистанционная настройка и индикация;
• отсутствие ограничения по размеру клапана в пределах размерного ряда;
• приемлемый коэффициент диапазона регулирования 50:1 (обычно для globe control valve);
• быстрое срабатывание и быстрая реакция на изменения нагрузки;
• очень мощный привод, способный работать при больших перепадах давления на клапане. Недостатки:
• дороже самодействующих и пневматических систем;
• сложнее самодействующих и пневматических систем;
• требуется электрический управляющий сигнал; для опасных зон это дорого. Применение: Системы, требующие точного и стабильного регулирования давления, а также установки с высоким и переменным расходом и/или переменным либо высоким давлением до клапана, включая автоклавы, крупные теплообменники и calorifiers, а также основные редукционные станции установки. Важно отметить:

1. Требуется чистый и сухой воздух.
2. Для монтажа требуется квалифицированный персонал, а для калибровки и commissioning - специалисты по КИП.
3. Может быть частью сложной системы управления с PLCs, самописцами и системами SCADA.
4. Всегда следует учитывать режим отказа; например, spring-to-close при потере воздуха является нормальным решением для паровых систем.

#Электрическое снижение давления

Описание Такие системы управления могут включать:

• функции P + I + D для повышения точности при изменяющейся нагрузке;
• уставки, которые можно изменять дистанционно. Преимущества:
• и контроллер, и привод клапана могут взаимодействовать с PLC;
• не требуется подача сжатого воздуха. Недостатки:
• если требуется привод с возвратной пружиной, доступное запирающее давление может быть ограничено;
• относительно низкая скорость привода, поэтому система подходит только для применений с медленно изменяющейся нагрузкой. Применение:
• системы медленного открытия/прогрева с контроллером ramp and dwell;
• регулирование давления больших автоклавов;
• снижение давления при подаче в крупные парораспределительные системы. Важно отметить:

1. Безопасность: при потере электрического питания положение клапана не изменится, если не используется привод с возвратной пружиной.
2. Приводы с возвратной пружиной дороги, громоздки и имеют ограниченную способность к плотному закрытию.

#Снижение давления (другие варианты) - параллельные редукционные станции

Описание Редукционные станции могут быть выполнены, как показано ниже, по одной из двух причин:

1. Клапаны обслуживают критичное применение, для которого недопустим простой. Оборудование работает по схеме «один в работе, один в резерве» для покрытия отказов и технического обслуживания.
2. Отношение между максимальным и минимальным расходом очень велико. Оборудование работает по принципу последовательности давлений: один клапан настраивается на идеальное давление после клапана, второй - на немного более низкое. При максимальном спросе работают оба клапана; когда расход снижается, сначала закрывается клапан, настроенный на более низкое давление, а второй продолжает регулирование. Важно отметить: Клапаны, выбираемые для такого применения, должны иметь узкую пропорциональную зону (например, пилотные редукционные клапаны или электропневматические системы), чтобы избежать чрезмерного падения давления после клапана при высоких расходах.

#Снижение давления (другие варианты) - последовательные редукционные станции

Редукционная станция может быть выполнена таким образом, если отношение между давлением до клапана и после клапана очень велико, а выбранные системы управления имеют низкую способность по turndown. Для такого типа редукционного клапана практическим максимумом рекомендуется отношение давлений 10:1.

Рассмотрим необходимость понизить давление с 25 bar g до 1 bar g. Первый редукционный клапан может понизить давление с 25 bar g до 5 bar g, что соответствует отношению 5:1. Второй редукционный клапан понижает давление с 5 bar g до 1 bar g, то есть также 5:1. Два клапана последовательно обеспечивают общее отношение давлений 25:1.

Важно проверить допустимое отношение снижения давления для выбранного редукционного клапана: для самодействующего клапана это может быть 10:1, а для клапанов с электрическим или пневматическим приводом значение может быть значительно выше. Следует учитывать, что большие перепады давления могут приводить к высокому уровню шума. Подробнее см. Module 6.4.

Точка отвода конденсата между двумя редукционными клапанами (Figure 8.1.8) необходима, чтобы предотвратить накопление конденсата при отсутствии нагрузки. Без неё тепловые потери излучением привели бы к заполнению соединительного трубопровода конденсатом, что вызвало бы гидроудар при следующем росте нагрузки.

#Охладители перегрева

Охлаждение перегретого пара - это процесс, при котором перегретый пар либо возвращается в состояние насыщенного пара, либо его температура перегрева снижается. Дополнительное рассмотрение desuperheaters приведено в Block 15.

Система на Figure 8.1.9 иллюстрирует редукционную станцию с контактным трубопроводным desuperheater.

В базовом варианте вода хорошего качества (обычно конденсат) подаётся в поток перегретого пара, отводя тепло от пара и тем самым снижая его температуру.

#Управление давлением для регулирования температуры

Описание Это применения, использующие предсказуемую зависимость между давлением насыщенного пара и его температурой. Преимущества:

• датчик давления можно располагать в паровом пространстве или рядом с регулирующим клапаном, а не в самой технологической среде. Это удобно там, где сложно измерять температуру процесса;
• такая схема позволяет регулировать несколько различных элементов из одной точки. Недостаток:
• управление является open loop, то есть датчик не измеряет фактическую температуру продукта. Применения:
• автоклавы и стерилизаторы;
• прессы и каландры;
• установки постоянного давления, например рубашечные ёмкости, unit heaters и паровые рубашечные трубопроводы. Важно отметить:
• Эффективное удаление воздуха имеет решающее значение (подробнее см. Module 11.12).

#Регулирование дифференциального давления

Описание В этих применениях регулирующий клапан открывается и закрывается для поддержания заданного перепада давления между двумя точками. Преимущества:

• в системе поддерживается постоянный дифференциальный напор пара;
• дифференциальное давление обеспечивает активное удаление конденсата из системы теплообмена. Это особенно важно там, где скопившийся конденсат может работать как тепловой барьер и создавать температурный градиент на поверхности теплопередачи. Такой температурный градиент, в свою очередь, может вызвать деформацию продукта или его недостаточный прогрев;
• можно получать различные рабочие температуры. Недостаток:
• если необходимо сохранить эффективность, требуется сложная система. Она может включать flash vessels и/или thermo-compressors, а также downstream-применения, использующие отбираемый пар пониженного давления. Применение:
• сушильные цилиндры с продувкой в бумажной промышленности. Важно отметить: Требуется специальный контроллер или differential pressure transmitter, способный принимать два входных сигнала: один от основной подачи пара, другой от flash vessel. Благодаря этому перепад давления между flash vessel и основной подачей пара поддерживается при любых нагрузках.

#Регулирование по избыточному давлению

Описание Цель состоит в поддержании давления до регулирующего клапана. Клапаны surplussing подробнее рассматриваются в Module 7.3, 'Self-acting pressure controls and applications'. Применение:

• котлы на установках, где нагрузка может изменяться на большую величину за очень короткое время. Внезапное падение давления в котле может привести к усилению турбулентности и интенсивному вспышечному испарению котловой воды, а также к уносу большого количества воды в трубопроводную систему;
• аккумулирующие ёмкости, где избыточная производительность котла используется для нагрева массы воды под давлением. Эта запасённая энергия затем используется, когда мощности котла недостаточно. Важно отметить:

1. Обычно требуется минимальный перепад давления на полностью открытом регулирующем клапане; это может означать необходимость клапана line size.
2. Не все самодействующие регуляторы подходят для такого применения, поэтому перед использованием важно проконсультироваться с производителем.

#Каскадное управление - ограничение давления и температуры одним клапаном

Описание Когда необходимо регулировать две переменные одним клапаном, требуется использовать два отдельных контроллера и два датчика. При этом регулирующий клапан всегда принимает управляющий сигнал от slave controller.

Slave controller конфигурируется на приём двух входных сигналов, а его уставка изменяется в заданных пределах в зависимости от электрического выходного сигнала master controller.

Такая форма управления особенно важна там, где давление в оборудовании должно быть ограничено независимо от тепловой нагрузки. Применение: Пластинчатый теплообменник с паровым нагревом, показанный на Figure 8.1.19, подогревает воду, циркулирующую во вторичной системе. Теплообменник имеет максимальное рабочее давление, поэтому slave controller ограничивает его этим значением.

Для регулирования температуры вторичной воды master controller и температурный transmitter контролируют температуру воды на выходе из теплообменника и передают сигнал 4-20 mA на slave controller, который использует его для изменения своей уставки в заранее определённых пределах. Важно отметить:

1. Между уставкой предохранительного клапана и ограничением давления, накладываемым контроллером, должен существовать достаточный запас.
2. Предохранительный клапан нельзя использовать как устройство ограничения давления в теплообменнике; он должен применяться только как предохранительное устройство.

#Каскадное управление - совмещённое снижение давления и surplussing одним клапаном

Описание Цель состоит в снижении давления пара, но не за счёт перегрузки доступной мощности источника. Применение: Трубопровод до клапана представляет собой распределительную магистраль высокого давления, возможно от распределительного коллектора или парового котла, питающего неосновное оборудование установки (Figure 8.1.20). Если спрос превышает доступную мощность источника, клапан закрывается и дросселирует поток пара, поддерживая давление в трубопроводе до клапана.

Master controller устанавливается на ожидаемое нормальное давление источника. Если master controller обнаруживает падение давления до клапана ниже своей уставки из-за роста потребления, он уменьшает уставку slave controller пропорционально в заранее определённых пределах.

Slave controller прикрывает клапан до тех пор, пока потребление пара не снизится настолько, чтобы давление до клапана восстановилось до требуемого значения. После этого уставка slave controller возвращается к исходному значению.

Типовые настройки Выходной сигнал master controller является direct acting, то есть когда давление до клапана находится на уровне или выше своей пропорциональной зоны, выходной сигнал master максимален и составляет 20 mA; когда давление находится на нижней границе пропорциональной зоны или ниже неё, управляющий сигнал минимален и составляет 4 mA.

Когда управляющий сигнал равен 20 mA, уставка slave controller соответствует требуемому давлению после клапана; когда сигнал равен 4 mA, уставка slave controller устанавливается на заранее определённом минимуме.

Предположим, что «нормальное» давление до клапана равно 10 bar g, а максимально допустимое давление после клапана - 5 bar g. Минимально допустимое давление до клапана равно 8.5 bar g, и при достижении этого значения клапан полностью закрывается. Минимальное пониженное давление устанавливается на 4.6 bar g.

Эти условия приведены в Table 8.1.1.

#Каскадное управление - ограничение и регулирование температуры одним клапаном

Описание Основная цель - ограничивать и регулировать температуру в конкретном процессе, где пар является доступным источником тепла, но не может использоваться для прямого нагрева конечного продукта по эксплуатационным причинам. Применение: Типичный пример - пастеризатор сливок на молочном производстве, которому требуется температура пастеризации 50°C. Из-за низкой температуры регулирования при прямой подаче пара в теплообменник пастеризатора возможно, что сравнительно большое количество теплоты в паре затруднит управление, вызовет колебания температуры, перегрев и порчу сливок.

Чтобы избежать этого, система на Figure 8.1.21 использует два теплообменника. Пастеризатор нагревается горячей водой, поступающей из первичного теплообменника с паровым нагревом.

Однако даже в такой схеме, если бы клапаном управлял только master controller, в системе возникало бы запаздывание, и результатом опять могло бы стать неудовлетворительное регулирование.

Поэтому используются два контроллера, работающие каскадно, каждый из которых получает сигнал 4-20 mA от своего температурного transmitter.

Slave controller используется для регулирования конечной температуры продукта в чётко заданных пределах, например между 49°C и 51°C. Эти значения изменяются master controller относительно температуры продукта так, что при росте температуры продукта уставка slave controller пропорционально снижается.