Станислав Львович Горобченко
КУРС ПРОГРАММЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АРМАТУРНОГО ХОЗЯЙСТВА

Далее мы рассмотрим подробнее основные из показанных программ и приведем их обоснование.

2. Программы повышения эффективности арматурного хозяйства

2.1. Программа повышения качества регулирования

Требования по качеству в производстве бумаги все время растут, и эти требования должны учитываться при модернизации контуров регулирования процесса. Отклонения от качества продукции или процесса могут быть сняты многими способами, в частности, одним из основных является установка лучших регулирующих клапанов в контурах регулирования.

Очень часто точный аудит полевых устройств и контуров измерения показывает необходимость проверки состояния и работоспособности регулирующих клапанов. Плохая работоспособность клапана является одной из главных причин, вызывающей проблемы с нестабильностью процессов с замкнутым циклом.

Поскольку процесс производства бумаги содержит сложные цепи подпроцессов, то важно определить, какой из регулирующих контуров (участков регулирования) является наиболее критичным. Такими контурами являются те, которые оказывают прямое влияние на качество бумаги или на эффективность и производительность бумагоделательной машины.

НЕЛИНЕЙНОСТЬ В РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНАХ

Основные причины низкой работоспособности регулирующих клапанов включают:

– заедание и несоответствие механического перемещения переданному моменту;

– трение покоя в позиционере, приводе или их сборочном узле;

– превышение размера клапана (часто из-за некорректных данных, принятых при расчете).

Первые две причины относятся к типичным отклонениям от линейности регулирования, а именно, они увеличивают мертвое время реагирования и мертвый ход. Мертвое время реагирования – это задержка во времени перед тем как клапан начал двигаться и в основном вызывается нагрузками по трению. Первоначальной причиной мертвого хода является нагрузка при трении и люфты. Поскольку трение покоя в клапане обычно значительно выше трения движения, то вредные эффекты, такие как превышение хода или колебания и отклонения от хода цикла могут легко появляться.

Во многих контурах регулирования контроллер работает по линейному закону. Чтобы достичь этого, конечный регулирующий элемент – клапан – должен дать полностью линейную характеристику, дающий отклик на входной сигнал безошибочно по всему диапазону регулирования. Хочется отметить, что и основная погрешность контура регулирования также заложена в регулирующем клапане, дающем максимальную погрешность по сравнению с датчиком и логическими цепями контроллера.

Чтобы обеспечить совершенство регулирования, компания Metso Automation разработала новую серию интеллектуальных позиционеров. Новая модель ND 9000 использует микропроцессор, чтобы обеспечить регулирование нового уровня. В этом устройстве измеряются движение затвора клапана и разница давлений за клапаном. Это устройство считывает данные и входной сигнал постоянно дается в программный алгоритм для управления положением регулирующего клапана. Этот принцип улучшает отклик и точность регулирующего клапана. Результатом является лучшее регулирование в процессах, где клапан применяется.

РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРИМЕНЕНИЮ

Далее, мы рассмотрим различные части процесса на одной машине по производству качественных бумаг. Прилагаемые рисунки показывают типичные примеры установки клапанов в процессе.

Рис. 2.1.1. Участок подготовки массы

Контур, который регулирует концентрацию в размоле, является весьма важным, поскольку:

– он прямо влияет на точность дозирования и пропорционирования массы, что требует высокой повторяемости для достижения одинакового и стабильного качества бумаги;

– в современных применениях регулирующих систем концентрация прямо влияет на удельное потребление энергии и далее на результаты размола.

В случае если внезапно появляются вариации в концентрации, контур регулирования размола старается отрегулировать приложенную энергию или момент с минимальной задержкой. С другой стороны, если измерение концентрации не производится, управление за энергией размола остается без изменений, но при этом характеристики массы будут варьироваться. Сегментный клапан без сомнений является здесь лучшим выбором. Он имеет высокую возможность работы в широком диапазоне и точность позиционирования, которые в этом случае являются значительно более высокой критической особенностью процесса регулирования, чем время отклика. Любой механический зазор (потеря перемещения и хода) в сочетании «клапан-привод-позиционер» должны быть исключены.

Рис. 2.1.2. Система подготовки композиции

При подготовке композиции и различных компонентов массы они смешиваются вместе, чтобы достичь точного соответствия композиции производимой бумаги. Наполнители обычно добавляются напрямую в поток массы перед очистителями в пропорции к потоку готовой массы. Дозирование должно быть легко повторяемо, и дозирующая система включает возможности различных сочетаний и степени регулирования для различных типов масс. Требуемые условия течения могут широко варьироваться для различных типов бумаги. Клапаны могут требоваться для перекрытия потока при помощи очень небольшого открытия в ситуации низкого расхода. В этом случае рекомендуется V – тип сегментного клапана. Нелинейность (мертвый ход или трение) одного из клапанов вызывает проблемы по пропорции компонентов массы. Нестабильность и ее изменения могут быть также и внезапными, влияя на результаты размола (значение садкости). Наполнители добавляются в массу, чтобы улучшить оптические и печатные свойства бумаги. В простых машинах наполнители управляются при помощи клапанов и идут напрямую в смесительный бассейн в пропорции с полным расходом массы. Все неконтролируемые изменения в пропорции наполнитель – масса являются критическими по отношению к технологическому процессу производства бумаги. Они должны учитываться при расчете удержания и также при расчете содержания золы (остающейся на полотне сухой бумаги).

Управление конечной концентрацией массы является очень важным критическим контуром. Этот регулирующий контур обеспечивает желаемую концентрацию массы на входе на бумагоделательную машину, и он должен иметь возможность корректировать все отклонения, привносимые и создаваемые на ранних ступенях процесса. Измерения должны проводиться в точках трубопровода, где течение остается постоянным. Поскольку машинный бассейн обычно очень большой, то вариации в концентрации в большинстве случаев появляются медленно, что в результате влияет на степень времени задержки. Время отклика клапана не является таким критическим, как точность позиционирования, тем не менее, мертвый ход и люфты не приемлемы. Проблемы с вариациями веса м² могут быть вызваны флуктуациями в давлении коллектора подачи осветленной воды на регулирующие клапаны контура концентрации. Эти вариации могут вызываться другими контурами концентрации, питающих тот же самый коллектор.

Регулирование концентрации является многоразмерной задачей, которая требует внимательного взгляда на несколько взаимосвязанных требований. Поскольку типы волокна и содержание наполнителя варьируются, необходимо обеспечить широкий диапазон измерений по применениям для лучшей точности. Датчики концентрации адаптированы на широкий диапазон типов волокна, включая вторичные. Датчик концентрации КАЙААНИ МСАi который измеряет полную концентрацию в массах, содержащих наполнители, быстро становится основным стандартом для массовых смесей и точного контроля граммажа. КАЙААНИ LC100 измеряет низкие концентрации, которые характерны для системы циркуляции волокна.

Следующий важный контур – это контур разбавления. Регулирование разбавлением улучшает стабильность процесса. Окончательный элемент в контуре, прецизионный и ответственный элемент разбавления массы, оставался до недавних пор главным условием для стабильного управления концентрацией. Традиционное управление концентрацией, основанное на положении разбавительного клапана, обеспечивает адекватный контроль за отклонениями за длительный период, но эти контуры могут быть дестабилизированы изменениями в давлении разбавительного коллектора или изменениями в расходе массы.

Концепция регулирования концентрации

Улучшенная стратегия регулирования концентрации представлена на рис 2.1.3. В такой схеме расход разбавительной воды управляется безошибочно, несмотря на изменения в давлении коллектора. Улучшается стабильность процесса, особенно во время срывов работы.

Рис 2.1.3. Регулирование концентрации

FC – контроллер расхода

СС – датчик концентрации

Cf – параметры расхода концентрации массы

Fc – расход разбавительной воды

Ff – расход массы

В концепции управления концентрацией контроллер, работа которого основана на балансе массы, используется в комбинации с каскадным регулированием расхода разбавительной воды. Ключ для улучшенного регулирования состоит в том, что некоторые измерения стандартизированы. В дополнение к концентрации массы, также измеряются расход массы, расход разбавления и входящая концентрация (опции). С использованием уравнения баланса массы точное количество разбавляющей воды может быть безошибочно вычислено в каждой ситуации. Сравнение между концепцией регулирования концентрацией (время менее 30 мин) и обычным временем регулирования (больше 30 мин) для одного применения по регулированию концентрацией, приведены ниже на рис 2.1.4.

Рис. 2.1.4. Диаграмма показаний изменений в концентрации

Рис 2.1.5. Система подачи осветленной воды

Важно давление в коллекторе контура концентрации разбавительной воды. Этот контур показан в иллюстрации на емкости осветленной воды, см рис. 2.1.5. Если клапан заедает, он изменяет концентрацию в нескольких узлах, подсоединенных к коллектору, как результат появлений вариаций в давлении воды. Свойства этого клапана должны включать хороший отклик и низкий гистерезис.

Регулирование веса м² является одним из главных контуров регулирования по отношению к качеству бумаги. Соблюдение композиции готовой массы формирует вес м² полотна бумаги в машинном направлении. Регулирование основано на измерении расхода массы. Вес м² сухой бумаги измеряется при помощи поперечных датчиков (т.е. в поперечно-машинном направлении). Скорость отбора проб должна поддерживаться высокой, как только возможно в современных системах. Этот контур регулирования также включает измерение концентрации для компьютерных вычислений веса м² сухой бумаги, см рис. 2.1.6.

Рис. 2. 1.6. Контур регулирования веса м²

Компания Metso Automation рекомендует клапан, разработанный специально для этих целей – NELES ACE с двухскоростным ступенчатым электроприводом. Этот клапан должен иметь возможность выполнять следующие функции:

– отсутствие холостого перемещения и хода, чтобы обеспечить точное позиционирование;

– высокое разрешение (большое количество шагов регулирования);

– быстрый отклик на изменения в сигнале управления.

Если компенсация отклонений концентрации производится системой, базисный вес метра квадратного может реагировать на эти изменения, поскольку он делает это в соответствии с изменениями реальных значений. Изменения в расходе массы обычно появляются достаточно быстро и с короткой амплитудой. Если контур настроен на медленный отклик (постоянное время отклика) и сигнал управления на положение клапана становится медленнее, чем динамика потока и расхода, то вариации в расходе прямо проходят по всей линии, отражаются на полотне бумаги и должны определяться системой качества.

В добавление к обычным базисным свойствам бумаги (базовый вес, влажность) существует другие важные категории качества или сортность бумаги, такие как цветность, яркость, матовость и глянец. Эти свойства могут быть эффективно управляться при помощи соответствующих химикатов. Следующая таблица иллюстрирует различные добавки и их применения.

Табл. 2.1.1. Применяемые добавки

Добавки направляются в массу посредством регулирования расхода в клапанах. Они вводятся наиболее близко к напорному ящику, и их расход должен наиболее точно регулироваться. Например, если для удержания химикатов они добавляются сразу перед напорным ящиком, то любые отклонения в регулировании расхода вызовут очень быстрое изменение в содержании наполнителя (золе) на полотне.

Контур регулирования в напорном ящике управляет скоростью выхода из щели напорного ящика в соотношении со скоростью сетки. Разница между этими двумя скоростями минимальна и должна регулироваться с особой тщательностью. Регулирование обычно основано на контроллере давления и насосе с регулируемой скоростью. В старых напорных ящиках уровень массы внутри напорного ящика также управляется. Управляющий клапан выпускает воздух из воздушной подушки выше уровня. Несрабатывание клапана вызывает вариации в расходе (давлении в щели напорного ящика). Если выбирается клапан шарового типа, то рекомендуется использование позиционера ND. Рециркуляционный клапан поддерживает одинаковое давление на обоих сторонах коллектора напорного ящика. Клапан имеет тенденцию к кавитации т.к. он встречает повышенную разницу давлений из-за требуемого давления в напорном ящике на скоростных машинах и полный вакуум в деаэраторе. Здесь наиболее эффективно использовать версию Q-TRIM.

Из описания функций, выполняемых клапанами в сложных процессах производства качественных бумаг, которые мы обсуждали, ясно, что некоторые являются менее критичными, чем другие. Чрезмерные отклонения в процессе, вызывающие проблемы с качеством или производительностью, часто идут от плохой работоспособности клапана. Новое поколение "умных" позиционеров способно решать задачи снижения вариаций в процессе и включает новую цифровую технологию для получения оптимального контроля за потоком в наиболее важных узлах бумагоделательных машин.

ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

В технических решениях по оснащению клапанами производственных линий необходимо стремиться к минимальной колебательности процесса и отсутствию отклонений от оптимального диапазона регулирования клапана. Причины высокой колебательности регулирующих контуров могут быть разные – и неправильный расчет и выбор клапана, недостатки монтажа, плохая настройка клапана и позиционера, помехи и чрезмерные отклонения в процессе. Дороговизна колебательности заключается в потере продукции, внеплановых остановах, снижении эффективности процесса и высоком взаимовлиянии сопряженных контуров.

Выбор регулирующих клапанов долгое время основывался на различных приблизительных оценочных методах и имеющемся опыте. Для восполнения недостатка в точной и быстрой методике выбора компании разрабатывают методики расчета и выбора регулирующих клапанов, благодаря которым можно выбрать наилучший вариант клапана по точности регулирования и регулирующим свойствам для конкретных условий эксплуатации. Методика таких расчетов основана на графических кривых, расходной характеристике, коэффициенте усиления установленного клапана, которые можно рассчитывать и отображать при помощи соответствующих окон расчетных программ.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА. СОБСТВЕННАЯ ПРОПУСКНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Оптимальный выбор регулирующего клапана по размеру и типу начинается с внутренней пропускной характеристики клапана. В этом отношении пропускные характеристики клапанов должны тщательно измеряться в испытательных лабораториях.

Характеристики клапана замеряются в условиях, когда перепад давления постоянен. В этом случае величина потока, проходящего через клапан «q» пропорциональна его коэффициенту пропускной способности Сv. Так как коэффициент пропускной способности клапана выражает со своей стороны эффективную величину поперечного сечения потока, то по характеристике клапана можно видеть, что эффективность поперечного сечения потока меняется в функциональной зависимости от степени открытия «h» клапана. На рис 2.1.7. представлены пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

Рис. 2.1.7. Пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

1,2,3,4, – разные условия работы клапана.

РАСХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

На практике регулирующий клапан – часть технологического трубопровода. Перепад давления в зоне открытия клапана редко постоянен, т.к. при росте величины потока вследствие динамических потерь давление потока на входе клапана падает, а на выходе увеличивается. Поэтому зависимость величины потока q от степени открытия клапана h (вид установочной характеристики) есть функция как технологического трубопровода, так и внутренней кривой клапана. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан, установленный в технологическом трубопроводе, показан на рис 2. 1.8.

Рис. 2. 1.8. Влияние изменений перепада давления на регулирующий клапан

Природу технологического трубопровода описывают характеризующие коэффициенты Dр₁ и Dp₂, где нижними индексами определены условия потока, при которых клапан полностью открыт (f) или открыт для обеспечения максимальной величины потока (m), требуемой по проекту. Коэффициенты Dpm можно рассчитать по формулам:

Dp_m=dp_m\dp_o (1)

и

Dp_i=dp_i\dp_o

Где dp_o – перепад давления при закрытом клапане.

Тип технологического процесса можно рассчитать по программе Nelprof, когда известны по меньшей мере два различных условия потока, или известны описывающие природу трубопровода коэффициент Dp_m и условия максимальной величины потока.

На рис 3 представлена рассчитанная по программе установочная характеристика для клапана Q–ball для одного технического решения, требующего понижения давления. В данном решении применен шаровой клапан Q-ball с верхним входом, сечение трубопровода 100 мм. По программе Nelprof можно также рассчитать скорость потока на выходе и уровень шума в зоне действия регулирующего клапана в целом. Особенность использованного в данном случае решения Q-ball – чрезвычайно широкий диапазон регулирования, что выражается в очень хорошей установочной характеристике, рис. 2.1.9.

Рис. 2.1.9. Установочная характеристика для клапана Q-Ball для значительного перепада давления. Расчет по программе NELPROF.

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ

Достоинства установочной кривой клапана в отношении возможностей и точности регулирования можно определить при помощи кривой усиления. Кривая усиления клапана описывает изменение углового коэффициента установочной характеристики в зависимости от степени открытия клапана. Усиления установленного клапана есть отношение изменения величины потока dQp к изменению степени открытия dh.

G=dQp\dh. (2)

Где Qp – проходящая через клапан относительная величина потока (Q=q\q_m)

По формуле 2 можно определить изменение величины потока. Изменение величины потока есть усиление, умноженное на изменение степени открытия клапана.

Усиление установленного клапана – отправной момент при выборе оптимального размера и внутренней характеристики регулирующего клапана для определенного технологического решения. Выбор клапана по его внутренней характеристике необходимо проводить так, чтобы его регулировочные способности сохранялись оптимальными и неизменными независимо от изменения нагрузки в рабочем диапазоне. На практике разные участки в области регулирования стараются сделать линейными в рабочем диапазоне технологического процесса. Тогда и усиление установленного клапана будет наиболее вероятно постоянным в рабочем диапазоне технологического процесса.

Для относительного усиления установленного клапана действительно правило, согласно которому в диапазоне регулирования усиление должно быть не более 0,5, а его изменение может быть лишь немногим более 2. Если установочное усиление не отвечает названным условиям, необходимо вместе с изготовителем тщательно исследовать динамику регулирующей способности во всем диапазоне регулирования. Если усиление данного клапана слишком низкое, высокое или оно сильно колеблется в рабочем диапазоне технологического процесса, это, как правило, доставляет трудности в отношении регулирующих устройств. С другой стороны, слишком высокое усиление клапана затрудняет точность регулирования, так как для степени погрешности в величине потока клапана действительна формула

DQr=Gdhr. (4)

Т.е. относительная степень погрешности по потоку есть усиление, умноженное на степень погрешности открытия клапана.

На рис. 2.1.10. представлена соответственно рис.2.1.9 кривая установочного усиления регулирующего клапана Q-ball. Из рис. 2.1.10 видно, что благодаря внутренней кривой клапана Q-ball достигается почти постоянное усиление в рабочем диапазоне регулирующего клапана. Кроме того, низкое усиление означает на практике прекрасную точность регулирования.

Рис. 2.1.10. Кривая установленного усиления регулирующего клапана Q-ball (компания Метсо)

Таким образом, понимая особенности процесса при протекании рабочих сред через клапан, и характеристики регулирования, построенные на основе этого знания, уже на первоначальном этапе можно добиться более оптимального выбора клапана с высокими характеристиками, и соответственно, его более высокой эффективности в работе.