Характеристики регулирующих клапанов

Расходные характеристики Все регулирующие клапаны имеют inherent flow characteristic, определяющую связь между ‘открытием клапана’ и расходом при постоянном перепаде давления. Следует отметить, что ‘открытие клапана’ в данном контексте означает относительное положение тарелки клапана по отношению к полностью закрытому положению на седле. Это не площадь проходного сечения. Площадь проходного сечения иногда называют ‘valve throat’ - это наиболее узкий участок между тарелкой и седлом, через который в данный момент проходит среда. Однако для любого клапана, независимо от его характеристики, связь между расходом и площадью проходного сечения всегда прямо пропорциональна.

Клапаны любого размера и любой inherent flow characteristic, работающие при одинаковом объёмном расходе и одинаковом перепаде давления, будут иметь абсолютно одинаковую площадь проходного сечения. Однако разные характеристики дадут различное ‘открытие клапана’ при одной и той же площади прохода. Если сравнить linear valve и equal percentage valve, то linear valve может иметь 25% открытия при определённом перепаде давления и расходе, тогда как equal percentage valve может иметь 65% открытия при точно тех же условиях. При этом проходное сечение у них будет одинаковым.

Разница в открытии между такими клапанами определяется физической формой тарелки и седла, которую часто называют valve ‘trim’. Типичные формы trim для globe valves со штоком сравниваются на Figure 6.5.1.

В этом модуле термин ‘valve lift’ используется для обозначения степени открытия клапана независимо от того, является ли клапан globe valve (вертикальное перемещение тарелки относительно седла) или rotary valve (поворотное перемещение запирающего элемента относительно седла).

Rotary valves, например ball и butterfly, имеют собственную базовую характеристику, но она может изменяться при изменении формы шара или заслонки. Inherent flow characteristics типичных globe valves и rotary valves сравниваются на Figure 6.5.2.

Примеры этих клапанов и их inherent characteristics показаны на Figures 6.5.1 и 6.5.2.

Характеристика быстрого открытия Клапан с характеристикой fast opening обеспечивает большое изменение расхода при малом ходе клапана от закрытого положения. Например, ход клапана 50% может соответствовать площади прохода и расходу до 90% от максимально возможного.

Клапан с таким типом тарелки иногда называют клапаном с характеристикой 'on/off'.

В отличие от linear и equal percentage characteristics, точная форма кривой fast opening не стандартизована. Поэтому два клапана, из которых один даёт 80% расхода при 50% хода, а другой - 90% расхода при 60% хода, оба могут считаться клапанами fast opening.

Fast opening valves обычно оснащаются электрическим или пневматическим приводом и используются для управления 'on/off'.

Самодействующий регулирующий клапан обычно имеет форму тарелки, похожую на fast opening plug на Figure 6.5.1. Положение тарелки реагирует на изменения давления жидкости или пара в системе управления. Перемещение такой тарелки может быть очень небольшим даже при малых изменениях регулируемой величины, и поэтому клапан имеет inherently high rangeability. Следовательно, такой клапан способен точно воспроизводить малые изменения расхода и не должен рассматриваться как fast opening control valve.

Линейная характеристика Тарелка клапана с linear characteristic имеет такую форму, что при постоянном перепаде давления расход прямо пропорционален ходу клапана (H). Linear valve достигает этого за счёт линейной зависимости между valve lift и площадью проходного сечения (см. Figure 6.5.3).

Например, при 40% хода клапана проходное сечение 40% пропускает 40% от полного расхода.

Равнопроцентная характеристика (или логарифмическая характеристика) Такие клапаны имеют тарелку, форма которой обеспечивает увеличение расхода при каждом приращении хода клапана на определённый процент от предыдущего значения расхода. Связь между ходом клапана и размером проходного сечения (а значит, и расходом) не линейная, а логарифмическая и выражается Equation 6.5.1:

Example 6.5.1 Максимальный расход через регулирующий клапан с equal percentage characteristic составляет 10 m³/h. Если клапан имеет turndown 50:1 и работает при постоянном перепаде давления, какое количество среды будет проходить через клапан при ходе 40%, 50% и 60% соответственно по Equation 6.5.1?

Увеличение объёмного расхода через такой регулирующий клапан происходит на одинаковый процент при одинаковом увеличении хода:

• когда клапан открыт на 50%, он пропускает 1.414 m³/h, что на 48% больше расхода 0.956 m³/h при 40% открытия;
• когда клапан открыт на 60%, он пропускает 2.091 m³/h, что на 48% больше расхода 1.414 m³/h при 50% открытия.

Отсюда видно, что при постоянном перепаде давления каждое увеличение хода клапана на 10% даёт рост расхода через регулирующий клапан на 48%. Для equal percentage valve с rangeability 50 это будет справедливо всегда. Для сравнения: если valve имеет rangeability 100, то прирост расхода при изменении хода на 10% составит 58%.

Table 6.5.1 показывает, как изменяется расход по всему диапазону хода клапана для equal percentage valve из Example 6.5.1 с rangeability 50 и при постоянном перепаде давления.

Иногда используются и другие inherent valve characteristics, например parabolic, modified linear или hyperbolic, но наиболее распространёнными в производстве остаются fast opening, linear и equal percentage.

Сопоставление характеристики клапана с характеристикой установки Каждое применение имеет собственную installed characteristic, связывающую расход среды с тепловой нагрузкой. Перепад давления на клапане, регулирующем поток нагревающей среды, также может меняться:

• в водяных системах характеристика насоса означает, что при уменьшении расхода давление до клапана возрастает (см. Example 6.5.2 и Module 6.3);
• в системах регулирования температуры паром перепад давления на регулирующем клапане специально изменяется так, чтобы удовлетворять требуемую тепловую нагрузку.

Характеристика регулирующего клапана, выбранного для применения, должна обеспечивать максимально возможную прямую зависимость между открытием клапана и расходом по как можно большей части хода клапана.

В этом разделе рассматриваются различные варианты характеристик клапанов для управления водяными и паровыми системами. В целом linear valves применяются в водяных системах, тогда как паровые системы обычно лучше работают с equal percentage valves.

1. Система циркуляционного отопления водой с трёхходовым клапаном

В водяных системах, где постоянный расход воды смешивается или переключается трёхходовым клапаном в уравновешенном контуре, потери давления на клапане поддерживаются как можно более постоянными для сохранения гидравлического баланса системы.

Вывод - в таких применениях обычно лучшим выбором является клапан с linear characteristic. Поэтому installed characteristic и inherent characteristic будут близки друг к другу, обе окажутся линейными, а усиление контура управления останется ограниченным.

2. Система регулирования уровня воды в котле - водяная система с двухходовым клапаном В системах такого типа (пример показан на Figure 6.5.6), где двухходовой клапан питательной воды изменяет расход воды, перепад давления на регулирующем клапане будет меняться вместе с расходом. Это изменение вызвано:

• характеристикой насоса. При уменьшении расхода перепад давления между насосом и котлом возрастает (это явление подробнее рассматривается в Module 6.3);
• изменением сопротивления трению в трубопроводе при изменении расхода. Потери напора на трение пропорциональны квадрату скорости (это также подробнее рассматривается в Module 6.3);
• давлением в котле, которое меняется в зависимости от паровой нагрузки, типа системы управления горелкой и режима её работы.

Example 6.5.2 Выбор и подбор клапана питательной воды на Figure 6.5.6 В упрощённом примере (где предполагаются постоянное давление в котле и постоянные потери на трение в трубопроводе) котёл рассчитан на выработку 10 tonnes of steam per hour. Характеристика boiler feedpump приведена в Table 6.5.2 вместе с получающимся перепадом давления (ΔP) на клапане питательной воды при различных расходах на уровне максимального расхода 10 m³/h питательной воды и ниже.

Примечание: ΔP клапана - это разница между давлением на нагнетании насоса и постоянным давлением в котле 10 bar g. Обратите внимание, что с ростом расхода питательной воды давление на нагнетании насоса падает. Это означает, что давление воды перед клапаном питательной воды также падает с ростом расхода, что влияет на связь между перепадом давления и расходом через клапан.

Из Table 6.5.2 можно определить, что падение давления на нагнетании насоса от холостого хода до полной нагрузки составляет около 26%, однако падение перепада давления на клапане питательной воды намного больше - 72%. Если это уменьшение перепада давления на клапане не учитывать при подборе, клапан может оказаться заниженным.

Как рассматривалось в Modules 6.2 и 6.3, пропускная способность клапанов обычно выражается через Kv. Более конкретно, Kvs относится к проходному сечению клапана при полном открытии, а Kvr - к проходному сечению, необходимому для конкретного применения.

Предположим, что проходное сечение полностью открытого клапана с Kvs = 10 принимается за 100%. Если клапан закрывается так, что проходное сечение становится равным 60% от полного проходного сечения, то Kvr также будет 60% от 10, то есть 6. Это справедливо независимо от inherent characteristic клапана. Фактический расход через клапан при каждом положении будет зависеть от перепада давления в данный момент.

Используя данные Table 6.5.2, требуемую пропускную способность клапана Kvr можно вычислить для каждого значения расхода и перепада давления на клапане по Equation 6.5.2, выведенной из Equation 6.3.2. Kvr можно рассматривать как фактическую пропускную способность, требуемую установкой; если нанести её на график в зависимости от требуемого расхода, полученная кривая будет называться 'installation curve'.

При полной нагрузке из Table 6.5.2:

Требуемый расход через клапан = 10 m³/ h

ΔP на клапане = 1.54 bar

Из Equation 6.5.2:

Используя значения расхода через клапан и ΔP клапана из Table 6.5.2, можно определить Kvr для каждого шага по Equation 6.5.2; результаты приведены в Table 6.5.3.

Построение installation curve Kvr, равный 8.06, удовлетворяет условию максимального расхода 10 m3/h в данном примере.

Installation curve можно построить, сопоставляя расход и Kvr, но обычно удобнее рассматривать её в процентном выражении. Это просто отношение Kvr к Kvs в процентах, то есть, другими словами, процент фактического проходного сечения относительно проходного сечения полностью открытого клапана.

Для этого примера installation curve строится как отношение Kvr при любой нагрузке к Kvs, равному 8.06. Клапан с Kvs 8.06 был бы 'идеально подобран' и описывал бы installation curve, как показано в Table 6.5.4 и на Figure 6.5.7. Эту installation curve можно рассматривать как характеристику пропускной способности идеально подобранного клапана для данного примера.

Из рисунка видно, что, поскольку клапан 'идеально подобран' под эту установку, максимальный расход достигается при полностью открытом клапане.

Однако на практике редко выбирают идеально подобранный клапан, да и делать это нежелательно. Обычно выбранный клапан будет хотя бы на один размер больше и, следовательно, будет иметь Kvs выше, чем installation Kvr.

Поскольку клапан с Kvs 8.06 коммерчески не выпускается, ближайший больший стандартный клапан будет иметь Kvs = 10 и условный размер DN25.

Интересно сравнить linear и equal percentage valves с Kvs 10 относительно installation curve в этом примере.

Рассмотрим клапан с linear inherent characteristic Linear characteristic означает, что связь между valve lift и площадью проходного сечения линейна. Следовательно, как проходное сечение, так и ход клапана при любой нагрузке представляют собой Kvr, выраженный как доля от Kvs клапана. Например:

Из Table 6.5.4 видно, что при максимальном расходе 10 m³/h Kvr равен 8.06. Если linear valve имеет Kvs = 10, то для обеспечения требуемого максимального расхода его ход составит:

Используя тот же подход, можно определить требуемое проходное сечение и ход клапана при разных расходах для linear valve, как показано в Table 6.5.5.

Equal percentage valve будет требовать точно такого же проходного сечения для обеспечения того же максимального расхода, но его ход будет отличаться от хода linear valve.

Рассмотрим клапан с equal percentage inherent characteristic.

При rangeability 50:1, τ = 50, ход (H) можно определить по Equation 6.5.1:

Процентный ход клапана задаётся Equation 6.5.3.

Поскольку объёмный расход через любой клапан пропорционален площади проходного сечения, Equation 6.5.3 можно преобразовать так, чтобы выразить ход equal percentage valve через площадь прохода и, следовательно, через Kv.

Это приведено в Equation 6.5.4.

Как уже было рассчитано, Kvr при максимальном расходе 10 m³/h равен 8.06, а Kvs клапана DN25 равен 10. Следовательно, по Equation 6.5.4 требуемый ход клапана при полной нагрузке составляет:

Из Figure 6.5.11 видно, что обе кривые клапанов сместились влево по сравнению с меньшими, правильно подобранными клапанами на Figure 6.5.10, тогда как installation curve остаётся на месте.

Изменение для linear valve особенно заметно: при 30% нагрузки клапан открыт лишь на 10%. Даже при 85% нагрузки клапан открыт только на 30%. Также видно, что изменение расхода велико при относительно малом изменении хода. Фактически это означает, что клапан работает как fast acting valve почти до 90% своего диапазона. Для такого парового применения это не лучший тип inherent characteristic, так как обычно желательно, чтобы изменения расхода пара происходили более плавно.

Хотя кривая equal percentage valve также сместилась, она всё ещё расположена правее installation curve и способна обеспечивать хорошее регулирование. Нижняя часть её кривой сравнительно полога, что даёт более медленное открытие на начальном участке хода, и в этом случае она лучше подходит для регулирования расхода пара, чем linear valve.

К завышению размера клапана могут приводить следующие обстоятельства:

• исходные данные применения приблизительны, поэтому вводится дополнительный 'safety factor';
• процедуры подбора включают эксплуатационные 'factors', например слишком большой запас на fouling;
• расчётный Kvr лишь немного превышает Kvs стандартного клапана, и приходится выбирать следующий больший размер.

Также возможны ситуации, когда:

• доступный перепад давления на регулирующем клапане при полной нагрузке мал. Например, если давление подачи пара равно 4.5 bar a, а требуемое давление пара в теплообменнике при полной нагрузке равно 4 bar a, это даёт лишь 11% перепада давления при полной нагрузке;
• минимальная нагрузка намного меньше максимальной нагрузки. В этом случае linear valve characteristic приведёт к тому, что тарелка клапана будет работать близко к седлу, что создаёт риск повреждения.

В этих распространённых ситуациях equal percentage valve characteristic обеспечивает значительно более гибкое и практичное решение.

Именно поэтому большинство производителей регулирующих клапанов рекомендуют equal percentage characteristic для двухходовых регулирующих клапанов, особенно при работе со сжимаемыми средами, такими как пар.

Обратите внимание: если есть возможность, паровые клапаны лучше подбирать так, чтобы при максимальной нагрузке на регулирующем клапане был как можно более высокий перепад давления; по возможности вплоть до критического перепада. Это помогает уменьшить размер и стоимость регулирующего клапана, делает installation curve более линейной и даёт возможность выбрать linear valve.

Однако условия процесса не всегда это допускают. Клапан можно подбирать только по фактическим условиям применения. Например, если рабочее давление теплообменника составляет 4.5 bar a, а максимально доступное давление пара всего 5 bar a, клапан можно подобрать только на 10% перепада давления ([5 – 4.5]/5). В такой ситуации подбор по критическому перепаду давления уменьшил бы размер регулирующего клапана, но теплообменник остался бы без достаточного количества пара.

Если увеличить давление подачи пара невозможно, решением может быть установка теплообменника, работающего при более низком рабочем давлении. В этом случае перепад давления на регулирующем клапане возрастёт. Это может привести к уменьшению размера клапана, но и к увеличению размера теплообменника, поскольку его рабочая температура теперь будет ниже.

При этом более крупный теплообменник, работающий при более низком давлении пара, даёт и ряд преимуществ:

• меньше склонность к образованию накипи и fouling на поверхностях нагрева;
• меньше flash steam образуется в конденсатной системе;
• меньше backpressure в системе конденсата.

Необходимо находить баланс между стоимостью регулирующего клапана и теплообменника, способностью клапана обеспечивать корректное регулирование и влиянием на остальную систему, как показано выше. В паровых системах equal percentage valves обычно предпочтительнее linear valves, поскольку при малых перепадах давления их рабочие характеристики по всему ходу клапана изменяются меньше.