Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в металлургии»

Станислав Львович Горобченко, 2020

Приводятся данные по применению поворотной арматуры в технологических процессах черной и цветной металлургии, а также в промышленной энергетике. Показаны преимущества применения поворотной арматуры вместо арматуры возвратно-поступательного типа. Приведены основные рекомендации по выбору арматуры. Показано, что арматура значительно глубже, чем принято считать, влияет на технико-экономические показатели работы предприятия. Определяются критерии оценки и предлагается методика оценки применения арматуры на предприятии, рассматриваются вопросы проектирования арматурного хозяйства и расчета эффекта от применения смарт арматуры. Для реконструируемых предприятий предлагаются способы и программы повышения эффективности арматурного хозяйства. Пособие предназначено для слушателей курсов системы дополнительного профессионального образования и будет полезно специалистам предприятий по арматуре, КИП и А, отделам по развитию и студентам старших курсов.

Предисловие

Дистанционный курс"Применение трубопроводной арматуры"является самостоятельным курсом системы дополнительного профессионального образования в арматурной отрасли. Его основное предназначение — повышение профессиональной квалификации в области инжиниринга и применения трубопроводной арматуры для широкого круга специалистов.

Особенности курса

Курс"Применение трубопроводной арматуры"предназначен для слушателей, имеющих незначительный опыт или не имеющих опыта в анализе, подборе, и применении арматуры.

Курс может быть полезен для специалистов по эксплуатации арматуры предприятий-потребителей, технических специалистов, коммерческих инженеров, разрабатывающих проектные спецификации арматуры, специалистов по развитию и менеджеров по продажам и маркетингу.

Описание

В результате овладения материалами курса слушатель начинает разбираться в современных подходах к выбору и применению арматуры для автоматизированных систем управления, овладевает навыками подбора арматуры и аксессуаров в зависимости от технических, экономических и проектных требований, практикуется в умении анализа альтернатив выбора арматуры; определяет возможности повышения уровня проектных спецификаций арматуры в ходе ее выбора на основе применения критериев повышения эффективности арматурного хозяйства и использования современных способов сервиса арматуры, более глубоко узнает связи арматуры не только с особенностями технологии, но и с различными сторонами работы предприятий.

По окончании обучения слушатель получает сертификат о прохождении программы дополнительного профессионального образования и удостоверение установленного образца о повышении квалификации.

Для получения документа об образовании и полного обучения по курсу"Применение трубопроводной арматуры"слушатель должен пройти обязательный базовый курс, не менее одного из специализированных курсов и один курс по выбору.

Особенности дистанционного обучения на курсе

Курс построен в виде электронного учебника и рабочей тетради, что дает возможность слушателям курса использовать свои комментарии и наработки в качестве рабочего конспекта в своей дальнейшей практической работе и профессиональной деятельности.

Сроки обучения

Срок обучения 3 мес. по методике дистанционного обучения с момента открытия доступа

РЕГИСТРАЦИОННАЯ ФОРМА

приведена на сайте www.novotechnos.com и www.promconsult.org или вы можете обратиться по электронной почте [e-mail].

МОДУЛЬ ПРИМЕНЕНИЕ ПОВОРОТНОЙ АРМАТУРЫ В МЕТАЛЛУРГИИ

В модуле приводятся данные по применению поворотной автоматической арматуры в процессах металлургических производств, как черной, так и цветной металлургии и горной промышленности и промышленной энергетике металлургических и других производств. Показаны основные технические характеристики и преимущества применения поворотной арматуры вместо арматуры линейного (возвратно-поступательного) типа. Показаны основные особенности выбора арматуры для работы в условиях различных сред. Приведены основные рекомендации по выбору арматуры.

Показано, что арматура значительно глубже, чем принято считать, влияет на технико-экономические показатели работы предприятия. Определяются критерии оценки, и предлагается методика оценки применения арматуры на предприятии, рассматриваются вопросы проектирования арматурного хозяйства и расчета эффекта от применения смарт арматуры. Для реконструируемых предприятий предлагаются способы и программы повышения эффективности арматурного хозяйства.

Пособие будет полезно специалистам предприятий по арматуре, КИП и А, отделам по развитию и студентам старших курсов, разрабатывающих проекты с учетом высокой доли применения современной поворотной арматуры.

Введение

Металлургия является одним из важнейших потребителей арматуры. В металлургических процессах используется значительное количество жидких, газообразных или сыпучих веществ. Высок уровень непрерывности процессов. Количество контуров, обслуживающих основное производство, включающих подачу газа, пара, воды, различных химических реагентов, и отвода побочных продуктов весьма значительно. Значительное число трубопроводных обвязок связывают процессы между собой. На всех них, как и на многих агрегатах установлена поворотная арматура, или она может иметь преимущество перед арматурой типа седельных вентилей и клиновых задвижек.

В металлургических процессах задействованы множество сложных сред, обладающих высокой специфичностью. В частности, арматура должна работать на средах с высокой вязкостью (мазут), высокими энергетическими параметрами (пар, масло и вода высокого давления), взрывоопасные (газы, кислород, водород), летучие или тяжелые (азот, аргон, ксенон), абразивные (доломит, известь, сыпучие ферросплавы и т.п.), агрессивные (электролиты щелочного и кислотного действия).

Многочисленные и сложные среды типа коксового, доменного газов, продуктов отвода дымовых газов, сернокислотных сред с высокой непрерывностью процесса требуют высокого уровня автоматизации. Особой точностью должны обладать процессы при проведении термической обработки продукции в печах с газовым нагревом. Сама автоматизация наиболее эффективна в случае использования поворотной арматуры, способной воспринимать и реализовывать законы регулирования на основе наиболее оптимальных расходных характеристик и пропускной способности. Такая арматура обязательно снабжается различными видами приводов, включая электрические, гидравлические и пневматические. Степень ее совершенства будет характеризоваться не только способностью выполнять управляющие сигналы системы автоматизации, но и иметь возможность производить собственную диагностику и предсказывать свое состояние, без чего уже во многих случаях невозможно провести плановую диагностику и назначить ТО.

В предлагаемом пособии рассматривается арматура поворотного типа преимущественно с автоматическим управлением.

1. Условия применения арматуры

Применение поворотной арматуры зависит от применяемых сред. В качестве основных сред металлургического производства, где может быть широко применена поворотная арматура, можно выделить следующие:

Газы. Газопроводы, криогенные трубопроводы, распределительные трубопроводы используемых газов (кислородопроводы, аргонопроводы, трубопроводы азота, трубопроводы водорода и водородсодержащих газов и т.п.)

Вакуум — дегазации, среднего и глубокого вакуума,

Жидкие среды — мазутопроводы, трубопроводы электролитов, гальваники, травления и т.п., маслопроводы и др.

Энергетические среды — пар, вода высокого давления.

Характерным отличием использования поворотной арматуры является то, что она в целом, как более «способная» к автоматизации используется в технологических трубопроводах.

Арматура делится на запорную и регулирующую. Запорная арматура служит для отсечки потока и составляет до 80% всей арматуры. К ней относят запорные краны и заслонки отсечки потока, аварийной отсечки или вентилирования, а также малую арматуру, такую как пробно-спускную, выпуска воздуха, дренажа. Обычно такая арматура имеет малые условные проходы. Главным способом ее совершенствования является нахождение способов ее унификации и снижения издержек при эксплуатации.

Регулирующая арматура служит для регулирования расхода. Типичными представителями ее являются клапаны регулирования давления, уровня, регулирующие клапаны.

Автоматическое управление. Автоматический привод необходим для обеспечения непрерывности процесса, характерных для металлургического производства.

2. Проблемы перехода от арматуры возвратно-поступательного типа к поворотной арматуре

ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА

Еще в 70-х годах применение задвижек и вентилей было распространено значительно шире, чем поворотных заслонок и шаровых кранов. Применение поворотных заслонок ограничивалось температурой не более 100^оС. Это было связано с применением преимущественно резиновых уплотнений, неотработанностью конструкции, отсутствием решений для потоков с повышенными параметрами.

Сегодня поворотные заслонки способны выдерживать уже температуры не менее 600^оС при давлениях свыше 400 Бар (заслонки компании Mapag, отделение Metso Automation) с герметичностью, соответствующей 1 классу по ГОСТ 9744 в обоих направлениях. Вместо обычных резиновых прокладок используется широкий спектр мягких уплотнений, способных выдерживать температуры до 260^оС без потери герметичности. Металлические уплотнения дали возможность применять заслонки в условиях абразивных, сильно загрязненных сред, в т.ч. пара и воды, с повышенным содержанием соли. Переход от безэксцентрикового исполнения, не гарантирующего достаточную герметичность сначала был осуществлен переход к одноэксцентриковому уплотнению, и далее к двухэксцентриковому уплотнению и для наиболее сложных случаев — к трехэксцентриковому уплотнению. Последнее гарантирует герметичное уплотнение по 1 классу. Их значительное достоинство по сравнению с применяемыми клиновыми задвижками является минимальный вес и габариты. Вес поворотных заслонок в 1,5 — 3 раза меньше по сравнению с задвижками. Малая строительная длина создает возможности для уменьшения общей протяженности трубопроводов и сокращения расходов на потребление насосами. Можно выделить несколько основных направлений замены клиновых и шиберных задвижек поворотными заслонками:

1. В условиях, где критичны размеры, в частности, крупные диаметры трубопроводов. Начиная с условного прохода 400мм, строительная высота поворотной заслонки, включая привод, может быть в 1,5-2 раза меньше. В частности для компактных трубопроводных обвязок более применимы малогабаритные поворотные заслонки.

2. В условиях, где требуется не только отсечка, но и регулирование. Поворотные заслонки обладают значительно более высокой способностью к регулированию, по сравнению с задвижками. В частности, они значительно более просто автоматизируются.

3. В условиях, где критичен вес арматуры. В частности, это могут быть транспортные устройства, включая железнодорожные и автомобильные цистерны.

4. В условиях, где критична стоимость арматуры. В частности значительный успех титановых поворотных заслонок при перекачке агрессивных пульп, даже с наличием взвешенных частиц по сравнению с титановыми задвижками, связан с тем, что они имеют меньший вес и, соответственно, меньшую стоимость.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ПОВОРОТНЫХ ЗАСЛОНОК ВМЕСТО ЗАДВИЖЕК ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЭНЕРГЕТИКЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ ПРОИЗВОДСТВУ

Ниже показаны сводные характеристики преимуществ применения поворотных заслонок вместо задвижек, табл. 2.1.

Табл. 2.1. Преимущества применения поворотных заслонок по сравнению с задвижками.

2.1. П

рименимость поворотной арматуры в металлургическом производстве

Хотя тенденция к замене задвижек и вентилей, безусловно, прослеживается, однако, поворотная арматура не заменяет многие специализированные виды арматуры. В частности, это специализированная арматура, включая предохранительную, защитную, распределительную, фазоразделительную, смесительную и т.п.

Однако с ростом автоматизации будет заметен перевод ряда арматуры из простых регуляторов на принудительное регулирование посредством выполнения команд управления, идущих от системы автоматизации, а не только осуществляющих саморегулирование процесса. Таким образом, например, уже начался перевод регуляторов прямого действия на горелочном оборудовании на применение регулирующих клапанов, как правило, поворотного типа, действующих не от настроенного на определенный параметр давления МИМ, а от команды системы управления.

В предохранительной арматуре выделяется подсегмент арматуры быстрого срабатывания, где применение поворотных клапанов, в большей степени поворотных заслонок было бы наиболее эффективно.

Далее, в соответствующих разделах, приводятся основные параметры замены арматуры, наиболее часто применяемой в процессах металлургического производства на поворотную арматуру производства Metso Automation.

РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА

ВЫБОР АРМАТУРЫ

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, и недостатки монтажа, и 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 разрабатываются методики расчета и выбора регулирующего клапана, благодаря которой можно выбрать наилучший вариант клапана по точности регулирования и регулирующим свойствам для конкретных условий эксплуатации. Методика расчета основана на графических кривых, расходной характеристике и коэффициенте усиления установленного клапана.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА. ВНУТРЕННЯЯ ПРОПУСКНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Оптимальный выбор регулирующего клапана по размеру и типу начинается с внутренней пропускной характеристики клапана. В этом отношении пропускные характеристики клапанов тщательно измеряются в различных 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. представлены пропускные характеристики наиболее распространенных клапанов в их функциональной зависимости от коэффициента пропускной способности Ф и степени открытия h.

Рис. 2.1. 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

УСТАНОВОЧНАЯ 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.2.2.

Рис. 2.2. 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 проектом. Коэффициенты D_pm можно рассчитать по формулам:

D_pm=d_pm\d_po (1)

D_pi=d_pi\d_po

Где:

d_po — перепад давления при закрытом клапане.

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

На рис 2.3. 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 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. 2.3. Установочная характеристика для клапана Q-Ball производства Metso Automation для значительного перепада давления. Расчет по программе Nelprof.

УСТАНОВОЧНЫЙ 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 dQ_p к изменению степени открытия dh.

G=dQ_p\dh. (2)

Где Q_p — 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

DQ_r=Gdh_r. (4)

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

На рис. 2.4. представлена соответственно рис. 2.3. кривая установочного усиления регулирующего клапана Q-ball. Из рис. 4 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.2.4. Кривая установленного усиления регулирующего клапана Q-ball.

Таким образом, понимая особенности процесса при протекании рабочих сред через клапан и характеристики регулирования, построенной 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.

ПОВОРОТНАЯ И ЛИНЕЙНАЯ РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА

В процессах металлургического производства широкое применение находит регулирующая арматура. До сегодняшнего дня в качестве регулирующей арматуры наиболее широко используют регулирующие вентили и задвижки. Значительную часть контуров регулирования обслуживают регуляторы давления. В системах энергетики и металлургии регулирующие клапаны обслуживают различные контуры, где регулируемым параметром выступают расход, температура, давление, концентрация и т.п.

Для приведенных элементов наиболее часто основой закона регулирования является расчеты расхода по падению энергии. При этом основные решения основаны на расчете дросселирующего эффекта. В то же время современные подходы предполагают переход на расчеты по пропускной способности регулирующего органа. Это позволяет в значительной степени улучшить качество регулирования. Однако это предопределило и значительно более расчетный, предсказательный характер определения расходных характеристик потока. Расчетный характер характеристик способствовал более легкой автоматизации процесса. Таким образом, несмотря на значительно более непосредственный и простой характер расчета по эффекту дросселирования и разработки алгоритма регулирования по изменению в потерях энергии, более сложные расчетные показатели через расчет параметров расходных характеристик и пропускной способности заняли свое место в системах регулирования. Основой этой замены стало повышение качества регулирования и требование большей информативности процесса, учета множества дополнительных характеристик. Переход к информационно измерительным системам с включением в него клапана становится более отчетливым.

Регулирующие вентили, как правило, используются на линиях с ручным управлением со стабилизированным, установившимся режимом работы. Для выполнения командного сигнала вентили часто приходится делать двухседельными.

Качество регулирования до настоящего времени определяют по классу точности. На отечественных предприятиях используют классы точности 2,5; 4,0; 6,0, см. табл.2.2.

Табл. 2.2. Классы точности регулирующих клапанов

В существующих стандартах класс точности регулирующих клапанов с позиционером должен быть не ниже 2,5. Чтобы проконтролировать соответствие хода регулирующего клапана определяется значения основной погрешности, порога чувствительности и вариации хода штока. Эти параметры оцениваются по ходовой характеристике регулирующего клапана на полностью собранном и отрегулированном изделии при незаполненном средой корпусе и сальнике, обеспечивающем герметичность подвижного соединения штока при условном давлении Ру. Пневматический сигнал при этом проверяется с точностью + — 0,4% от максимального значения, перемещение — с точностью +-0,5% от номинального хода штока.

Основная погрешность регулирующего клапана определяется следующим образом. На входной штуцер мембранно-исполнительного механизма (МИМ) подают управляющий воздух под определенным давлением. Диапазон изменения управляющего давления разбивают на 8-10 равных частей и при каждом его значении фиксируют положение штока. Испытание проводят при прямом и обратном ходе; для каждого значения управляющего давления находят приведенный ход, после чего определяют разность действительного и приведенного ходов.

Основную погрешность определяют как отношение, выраженное в процентах, наибольшей разности действительного и приведенного хода к номинальному ходу штока.

Δ=(Sд — Sп)\Sн)х100%

Порог чувствительности определяют при значении управляющего давления, равном 20, 50 и 80% от его полного диапазона. При испытании давление плавно увеличивают до установленного значения, фиксируют его и затем плавно повышают управляющее давление до заметного трогания штока регулирующего клапана. Новое значение управляющего давления фиксируют, а затем определяют разность зафиксированных значений. Испытание повторяют при плавном уменьшении управляющего давления и определяют новую разность зафиксированных значений. Порог чувствительности определяется как отношение, выраженное в процентах изменения управляющего давления, вызывающего заметное трогание штока к диапазону управляющего давления.

Вариации хода штока (Гистерезис). При каждом значении управляющего давления находят разность между действительными значениями прямого и обратного ходов штока. Вариацию определяют как отношение, выраженное в процентах, наибольшей разности между значениями прямого и обратного ходов штока при одном и том же значении управляющего давления к номинальному ходу.

Наибольшее распространение среди регулирующих клапанов с линейным движением штока занимают регулирующие двухседельные вентили с мембранным исполнительным механизмом. Допустимый порог чувствительности таких клапанов с МИМ составляет не более 3Па. Пропускная характеристика может быть, как линейная, так и равнопроцентная. Таблица заменяемости двухседельных клапанов на поворотные шаровые регулирующие клапаны приведена ниже.

Табл. 2.3. Заменяемость двухседельных вентилей на поворотные шаровые краны

— Окончательная возможность замены определяется расчетом.

— Возможность замены угловых клапанов зависит от расчетного перепада давлений.

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

Чтобы обеспечить точность выполнения командного сигнала с минимальной погрешностью клапан должен быть спозиционирован. Основной проблемой без применения позиционеров было значительное рассогласование хода штока по отношению к управляющему сигналу.

Позиционер представляет собой устройство, предназначенное для управления перемещением штока строго пропорционально командному давлению путем использования обратной связи по положению штока. Общим принципом работы позиционеров является компенсация усилия в чувствительном элементе позиционера. При этом исключается влияние сил трения, неуравновешенности штока и плунжера и сводится к минимуму рассогласование между командным давлением и действительным ходом плунжера. Если этого не проводить, то рассогласование может достичь 30%, что характерно для мембранных регулирующих вентилей. Пневматические позиционеры позволяют уменьшить рассогласование до 1,5 — 2%, снижают запаздывание регулирующих клапанов, поскольку их объем во много раз меньше мембранной камеры МИМ. Основная система управления при этом была пневматическая. Каналы пневмосетей также оставались в значительной степени инерционными. Для повышения качества связи между позиционером и системой автоматического управления, начиная с 60-х годов, широко использовались системы управления, основанные на передаче электрического командного сигнала. В электропневматических позиционерах, работающих на аналоговом принципе электрическое реле переводит пневматический сигнал в электрический. Этим значительно повышаются точность позиционирования. Следующей ступенью стали позиционеры, работающие по протоколу HART, переводящие аналоговый сигнал в цифровой. При этом качество сигнала и помехоустойчивость сетей в значительной степени повысилась. После освоения протоколов HART позиционеры в последнее время появились цифровые позиционеры, например серии ND9000, основанные на преобразовании сигналов от сенсоров в цифровой.

Сам позиционер стал насыщаться сенсорами, поскольку цифровой канал связи обеспечил большие возможности для реализации, как алгоритмов регулирования, так и собственной диагностики.

Интересно отметить, что промежуточной формой внедрения позиционеров и большего перехода к цифровым системам стали цифровые позиционеры, устанавливаемые на регулирующих вентилях с линейным ходом штока и мембранным исполнительным механизмом. В дальнейшем после освоения цифрового позиционера оптимальным является замена регулирующих вентилей с линейным перемещением штока на поворотные регулирующие клапаны. Для вентилей и задвижек с диам. более 100мм требуются специальные рычажные передачи с большим количеством механических звеньев, обязательна ступенчатая регулировка передаточного отношения, поскольку только благодаря этому выходное звено арматуры с линейным ходом штока получает увеличенный ход. Из-за значительного нарастания погрешностей в связи с множеством механических передаточных звеньев, длинного хода штока переход на регулирующие поворотные клапаны с позиционерами оптимально производить с указанного диаметра.

РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОВОРОТНЫЕ ЗАСЛОНКИ

Заслонки регулирующие находят применение вплоть до давлений 6,4МПа, Dу 400мм и предназначаются для регулирования расхода пара при температуре не более 425^оС. Их работоспособность ограничивается перепадом давлений на рабочем органе и ранее составлял не более 0,025МПа. В настоящее время при использовании заслонок с эксцентриковым смещением удается значительно повышать допустимый перепад давлений.

ЗАМЕНА РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ

Регуляторы давления — это автоматическая арматура с линейным движением штока, с чувствительным элементом, которым выступает резиновая мембрана. Формирование силового воздействия осуществляется нагружением грузом или пружиной. Действие регулятора происходит за счет использования энергии рабочей среды, транспортируемой по трубопроводу. При изменении давления на участке трубопровода, настроенная пружина отрабатывает степень открытия регулирующего органа регулятора до тех пор, пока не восстановится исходная величина давления.

Для регуляторов используются в основном только тарельчатые двухседельные клапаны с мембранным рычажно-грузовым приводом. Этим обусловливается то, что ход штока будет незначителен. Расчетная длина хода составляет не более 0.15 диаметра отверстия в седле клапана.

Проблемой использования мембранных приводов является то, что они одновременно являются и приводом и чувствительным элементом. Поэтому их применение возможно только для малых диаметров арматуры, где погрешность движения привода близка к погрешности чувствительного элемента. Применение формованной мембраны большого диаметра нецелесообразно, поскольку такая мембрана является элементом повышенной чувствительности, и при малых изменениях давления будет приводить к резким перемещениям штока с большой амплитудой и ударам плунжера о седло. Для решения проблемы применяют малую плоскую мембрану. Однако она создает менее чувствительную систему за счет повышения жесткости. Достигаемая характеристика в большей степени может быть приближена только к пропорциональной. Однако это происходит за счет повышения неравномерности величины отрегулированного давления. Таким образом, применение регуляторов для трубопроводов крупного диаметра ограничено.

Точность работы регулятора давления характеризуется степенью неравномерности, определяемая отклонением действительной величины отрегулированного давления в процентах от номинальной настроенной. Несовпадение этих величин вызывается том, что с повышением расхода повышается отрегулированное давление в зависимости от жесткости мембраны и пружины привода. На точность работы регулирующего клапана и регулятора давления оказывает влияние и порог чувствительности, определяемый минимальной величиной изменения давления, необходимой для того, чтобы плунжер изменил свое направление на обратное. Замена регуляторов на регулирующие клапаны для целей повышения точности и управляемости режимом работы контура регулирования является актуальной задачей.

Задачами, которыми могут решить регулирующие клапаны при установке взамен регуляторов может быть уменьшение степени неравномерности действий (для регуляторов они составляют до 20% даже для диам. 50-80мм) при пороге чувствительности 0,03-0,05МПа.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ АРМАТУРА

В энергетике и металлургии существует ряд контуров, где при нарушении нормального хода технологического процесса требуется быстро отключить подачу среды. Основной проблемой является необходимость выполнения жестких требований, как правило, нормируемых надзорными организациями по скорости закрытия — открытия затвора. В частности, для многих узлов быстрой и аварийной отсечки нормируются значения времени открытия-закрытия от 0,5 до 1-2 сек. К ним относятся, например, клапаны быстрой отсечки турбин, байпаса, антипомпажа, защиты в горелочном оборудовании, участки аварийной отсечки и вентилирования. В состав защитной арматуры могут входить поворотные отсечные клапаны. Ими являются, как правило, поворотные заслонки с пневмо и электроприводом. Они успешно заменяют собой отсечные клапаны с линейным движением штока с мембранным исполнительным механизмом. Основной причиной является значительно меньший ход штока при повороте по сравнению со значительной длиной хода штока при закрытии, например, при помощи задвижки или вентиля.

2.2. Критические контуры регулирования на примере ТЭС металлургического производства

Понимание, того, что не все контуры одинаковы, является важным для понимания важности замены одних клапанов более совершенными в первую очередь. Критическими контурами регулирования назовем контуры, где соотношение параметров на входе к параметру на выходе превышает критическое отношение. Небольшая погрешность регулирования на входе приводит к недопустимому превышению допусков по параметру на выходе. Рассмотрим основные контуры регулирования на примере ТЭС.

Цель работы ТЭС — отпуск теплового агента в виде пара или горячей воды с определенным параметрами расхода, температуры и обеспечение тепловодяного баланса. Дополнительными требованиями являются само качество воды, степень ее жесткости и насыщенность неконденсирующимися газами.

В работе ТЭС возникает множество возмущающих воздействий, от изменения погодных условий при работе на обогрев, до особенностей изменения работы теплопотребляющих агрегатов. Основными показателями, характеризующими технологический режим ТЭС, являются температура Т, напор Н и расход Q теплового агента. Основным оборудованием с точки зрения регулирования являются:

— котлы, иногда их может быть несколько, работающих параллельно,

— сетевые насосы, обеспечивающие циркуляцию теплового агента,

— рециркуляционные насосы в линии рециркуляции воды от выхода с котлов на их вход,

— регулирующий клапан линии перепуска, подающий воду с выхода сетевых насосов непосредственно в напорный трубопровод с предварительным смешиванием с горячей водой после котлов,

— регулирующий клапан линии рециркуляции,

— насос подпитки в линии подпитки, обеспечивающий стабильное давление в обратном трубопроводе путем восполнения потерь теплового агента за счет подачи деаэрированной воды.

–дополнительными контурами являются контуры химводоочистки и водоподготовки, деаэрирования, подачи реагентов, удаления стоков, золоудаления, мазута и др.

Основных задач регулирования — две. Это регулирование выходных параметров пара и воды для потребителей и регулирование собственного тепловодяного баланса ТЭС. Для решения первой задачи регулируются выходные параметры — Твых, Нвых, Qвых, в обратном трубопроводе Тобр, Нобр, Qобр. Для решения второй задачи регулирования и обеспечения тепловодяного баланса регулируют следующие параметры:

Qк — расход воды через включенные котлы, что обеспечивает допустимый диапазон расходов через них.

Твх — температуру воды на входе в котлы с целью предотвращения образования конденсата на наружных поверхностях водяных труб внутри топок, так как конденсат является агрессивным.

Нобр — давление воды в обратном трубопроводе.

Структура контура регулирования может зависеть как от структуры самого объекта, так и от требований, предъявляемых к быстродействию в переходных и точности в статических режимах.

В тоже время технологическую схему ТЭС можно представить в виде взаимосвязанных локальных контуров регулирования, где объект регулирования представляется апериодическим звеном со значительной нелинейностью и большими постоянными времени. Выделим основные контуры регулирования ТЭС:

1. Контур регулирования температуры в напорном трубопроводе ТЭС

Включает в себя котел, коэффициент передачи которого по нагреву и постоянным времени являются переменными величинами, поскольку при разном числе параллельно работающих котлов температура в общем выходном коллекторе котлов Тк изменяется не пропорционально управляющему воздействию. Например, при одном котле ПТВМ 50 включение одной горелки увеличивает Тк примерно на 4^оС с общим времени регулирования 4-5 мин, а при двух котлах — на значительно меньшее значение за счет большего суммарного расхода воды в общем коллекторе.

Результирующая температура воды в сети Тс зависит от долевых значений расходов воды после котла Тк и обратной воды Тобр. Дополнительно учитывается функция смешения потоков воды, определяющая изменение температуры на разнице температур в обратном трубопроводе. В общем случае, она должна отражать также колебательность в упругой среде. Для датчика температуры главным фактором служит его собственная постоянная времени Тдат, составляющая до 10 сек.

Нагрузка ТЭС от теплопотребляющих агрегатов может быть описана передаточной функцией охлаждения теплового агента. Она также нелинейна, если за возмущающее воздействие принять изменение температуры в теплопотребляющем агрегате и расход теплового агента, зависящий как от Тнагр и расхода. Постоянную времени охлаждения Тохл можно ориентировочно принимать 10-40 мин, но в каждом конкретном случае она зависит от протяженности и конфигурации теплопотребления и расхода теплового агента.

2. Контур регулирования напора на выходе с ТЭС

Контур регулирования напора Нвых можно представить в виде двух апериодических звеньев — сетевого насоса и гидравлических сопротивлений котлов и параллельной им линии перепуска. Обе передаточные функции будут нелинейны. Функции содержат квадратичную зависимость напора от частоты вращения. Постоянная времени Т определяется технологическими требованиями из условия плавного регулирования, ее значение составляет до 5 сек. Функция гидросопротивления нелинейна вследствие изменяющегося сопротивления в зависимости от угла открытия клапана линии перепуска. Динамические процессы узла смешения характеризуются очень малыми постоянными времени сжатия жидкой среды и по сравнению с другими показателями регулирования при синтезе регуляторов ими можно пренебречь, т.е. считать функцию пропорциональной.

3. Контур регулирования давления в обратном трубопроводе

Контур предназначен для восполнения утечек теплового агента (подпитки сети). Его передаточная функция по управляющему воздействию нелинейна по той же причине, что и для сетевого насоса — вследствие квадратичной взаимозависимости напора и частоты вращения электропривода. Коэффициент передачи Кобр также зависит от температуры, влияющей на давление в замкнутом трубопроводе с постоянным объемом воды. Возмущающим воздействием на Нобр является также давление в напорном трубопроводе Н. В стационарном режиме внешние возмущающие воздействия приводят к медленным процессам изменения давления, длительность которых измеряется минутами.

4. Контур регулирования температуры воды на входе в котлы

Передаточные функции этого контура отражают гидравлические процессы в узле соединения трубопроводов. Расход в линии рециркуляции Qрец и разность напоров Нрец и Нс связаны нелинейной функцией Фгидр, содержащей изменяющееся общее гидравлическое сопротивление параллельно включаемых котлов. В общем случае эта функция — колебательная с быстрым затуханием процесса.

Температура воды на входе в котлы Твх является функцией смешения двух потоков жидкости с разной температурой. Функция смешения одновременно зависит и от объемов потоков и от изменяющихся независимо одна от другой их температур Тк и Тобр, что свидетельствует о неопределенной нелинейности. Как в случае измерения температуры сетевой воды, постоянной времени, наиболее влияющей на процесс регулирования, является постоянная датчика температуры, составляющая примерно 10 сек.

Исполнительным механизмом служит рециркуляционный насос с регулирующим клапаном (или регулируемым электроприводом) и являющийся апериодическим звеном с постоянной времени примерно 3-5 сек, устанавливаемой преднамеренно для исключения резких изменений суммы расходов Q.

5. Контур регулирования расхода воды через котлы

Контур включает в себя регулирующий клапан с нелинейной функцией, определяющей расход в зависимости от угла открытия и перепада давления на его входе и выходе, определяемой из паспортных характеристик, а также функцией интегрирования угла открытия по управляющему воздействию. Как правило, длительность полного открытия клапана составляет примерно 63 сек, т.е. постоянная времени составляет примерно 20 сек. Именно эта постоянная является определяющей и учитывается при построении системы регулирования. Для обеспечения устойчивости и исключения колебательности внешнего контура необходимо встраивать внутренний контур регулирования угла открытия клапана со своей передаточной функцией Фрег.

Из анализа следует, что все объекты локальных контуров связаны между собой и являются нелинейными, а постоянные времени передаточных функций некоторых из них определяются собственными постоянными времени исполнительных механизмов.

Зачастую трудно определить прямые показатели состояния теплопотребляющих объектов, пригодных для задачи регулирования выходных показателей регулирования ТЭС. Тем не менее, можно принять, что наиболее приемлемым способом регулирования будет упреждающее изменение выходных показателей ТЭС.

Обычно для регулирования применяют изменение числа включенных горелок, котлов, сетевых насосов. Вследствие нелинейности объекта регулирования и значительных постоянных времени апериодических звеньев такой способ не практике реализуется с помощью режимных карт и температурных графиков, составленных на основе опыта многолетней эксплуатации.

6. Контур регулирования температуры сетевой воды

При построении САУ температуры сетевой воды используется проверенный практикой способ управления — задание на температуру формируется по основному возмущающему воздействию Твозм и линеаризованному температурному графику, заложенному в АСУ ТП.

7. Контур регулирования давления воды в напорном трубопроводе

Контур предназначен для стабилизации напора Нс независимо от расхода в теплопотребляющем агрегате, температуры или других характеристик. При этом необходима стабилизация перепада давления в напорном и обратном трубопроводе, но давление в обратном трубопроводе стабилизируется самостоятельным контуром регулирования, поэтому, с целью исключения колебательности, целесообразно осуществлять регулирование по величине Нс.

В процессе работы ТЭС формируется практически стационарный процесс с медленно изменяющимися характеристиками, поэтому требование быстродействия пока не учитывается (за исключением устройств аварийной отсечки). Инструкциями по эксплуатации рекомендуется плавное, пошаговое воздействие на регулируемые показатели с визуальным контролем результатов. Это обусловлено как динамическими качествами запорно-регулирующей арматуры, полное время изменения состояния которой по критерию «открыто — закрыто» составляет десятки секунд, так и порядком ввода в работу насосного оборудования — пуск на закрытую задвижку и последующее ее открытие. К контурам и системе регулирования в целом дополнительно предъявляются следующие требования:

— Отработка управляющих и возмущающих воздействий без перерегулирования и отсутствия колебаний или при быстром их затухании.

— Окончание колебательного процесса с установлением новых заданных показателей за время, удобное для визуального контроля (до 5 мин).

В этих условиях передаточной функцией обычно выбирают для регуляторов всех контуров регулирования пропорционально — интегрирующее или интегрирующее звено, с предпочтением интегрирующему звену, поскольку нет необходимости в компенсации постоянных времени объекта регулирования. Регулирование без статической ошибки является важным условием функционирования теплопотребляющих агрегатов. При наладке регуляторов и выборе параметров регуляторов ориентируются на наибольшую постоянную времени объекта в контуре регулирования.

ПОРЯДОК ВЫБОРА КЛАПАНОВ ДЛЯ КРИТИЧЕСКИХ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Выбор клапанов основывается на анализе критических контуров регулирования в соответствии с технологической схемой и проводится в следующей последовательности:

1. По результатам анализа технологической схемы выделяются контуры, где небольшие изменения параметров на входе приводят к непропорционально большому или малому изменению параметров на выходе. Эти контуры рассматриваются отдельно, и для них производится специальный выбор клапанов, способных работать в таких условиях.

2. Клапаны для этих контуров рассчитываются по специализированной программе расчета типа Neprof, Сonval и др.

3. Далее проводится их оптимизация для конкретных контуров регулирования в соответствии с особенностями работы контура и заданием от системы АСУ ТП.

3. Типовые схемы установки поворотной арматуры в технологических схемах

3.1. Черная металлургия

3.1.1. Клапаны пневмотранспорта флюса

Технологический процесс

В кислородно-конвертерном (кислородном) сталеплавлении, кислород сочетается с

углеродом и другими нежелательными элементами, ликвидация этих загрязнений из

расплавленной заготовки и преобразует его в сталь. Известь и плавиковый шпат помогают

унести примеси, в виде плавающего слоя шлака.

Рис. 3.1. Установка клапанов в технологической схеме пневмотранспорта кокса [3]

Q-Bop Flux Система впрыска

Номер модели и описание:

А. 4"Wafer — sphere клапан с приводом VPVL

B. 8"Wafer-sphere клапан с приводом VPVL

С. 3"73050

D. 6"73050 с М. А. приводом

Е. 2"73050

F. 2"73050 с приводом VPVL

G. 3"73050 с приводом VPVL

I. 3"73050

J. 6"MA 73050 привод

К 8"73050 с М. А. приводом

L. 8"73050 с приводом VPVL

М. 4"73050 с Quadra-Power приводом и позиционером

правление потоком азота

N. 6"73050 с приводом VPVL

О. 3"73050 с приводом VPVL

P. 6"73050 с Quadra-Power приводом и позиционером

Q. правление потоком кислорода

Вопрос 6"73050 с приводом VPVL

R. 8"73050 с приводом VPVL

S. 2"73050 с Quadra-Power приводом и позиционером

Управление потоком кислорода

Т. 6"73050 с М. А. приводом

U. 10"73050 с М. А. приводом

V. 6"73050 с VPVL приводом.

3.1.2. Клапаны гидравлики, обеспечения воздухом и водяного охлаждения прокатного стана

Технологическая схема показана на рис.3.2.

Рис. 3.2. Схема установки арматуры в системе водяного охлаждения прокатного стана [3]

Рис. 3.3. Схема установки клапанов в гидравлической системе прокатного стана [3]

Технологический процесс

Функция прокатного стана — превращение стальных отливок или болванок в специфичную прокатную стальную продукцию. Некоторые вспомогательные операции, выполняемые основным прокатным станом, включают нарезку заготовок конкретной длины, обрезку, которая включает отрезание небольших кусочков с концов каждой заготовки с их последующей утилизацией, а также сбор и

сортировку отходов при выполнении данной операции. Три (3) формы заготовок, которые производятся на основном прокатном стане — это блюмы, слябы и заготовки. Блюмы обычно имеют круглую, квадратную или почти квадратную форму, в то время как слябы продолговатые, тонкие и относительно широкие. Заготовки имеют квадратную форму и имеют меньшее поперечное сечение, чем блюмы. В гидравлической системе для прокатного стана используются насосы и регулирующие клапаны для работы гидравлических цилиндров, выполняющих операции расстановки и подъема аналогично системе подачи воздуха. Жидкость для охлаждения подшипников используется в

большинстве вращающихся с высокой скоростью узлов, таких как насосы и вентиляторы, обеспечивая эффективную работу подшипников.

Номер модели и описание:

A. Отсечной клапан ½ дюйма — 2 дюйма 351

B. Электрический клапан с приводом EL 1 дюйм 9FB-2236XT с приводом EV/ER

3.1.3. Клапаны подачи кислорода в конвертер и печи

Схема установки клапанов для подачи кислорода в конвертер и печи показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема установки клапанов для подачи кислорода в конвертер и печи [3]

Технологический процесс

В кислородном конвертере производится сталь путем смешивания расплавленного железа и стального лома, при нагревании и обдуве кислородом.

Номер модели и описание:

A. Кислородная отсечка — 730S

B. Автоматическая отсечка — 730S с системой Quadra-Powr®

C. Редукционный клапан 210 фунтов/кв. дюйм/

180 фунтов/кв. дюйм; 85 F 730S с VPVL

D. Клапан сброса давления

Е. Клапан регулирования потока

F. Предварительный нагрев 750-3000 стандартных куб.футов/мин

G. Рабочий и резервный 7000-14000 стандартных куб.футов/мин

730S с системой Quadra-Powr® и позиционером

FE. Блокировочный клапан элемента потока — 210II36TT (600#), размер обычно от ¼ дюйма до 1 дюйма

PE. Блокировочный клапан элемента давления — 210II36TT (600#), размер обычно от ¼ дюйма до 1 дюйма

3.1.4. Клапаны дегазации

Схема установки арматуры в устройствах дегазации показана на рис.3.5.

Рис. 3.5. Схема установки арматуры в устройствах дегазации [3]

Технологический процесс

Дегазация — это способ, применяемый в процессе производства

стали для удаления газов (водорода, кислорода и азота), которые поглощаются жидкой сталью из атмосферы и из составляющих ее компонентов сырья.

Номер модели и описание:

A. 1/4 дюйма 351

B. 3/4 дюйма 351

C. 1 дюйма 351

D. 1/2 дюйма 9FB2236XT / VPVL

E. 2 дюйма 7150 31-2236XT W/VPVL

F. 1/2 дюйма 351

3.1.5. Клапаны охлаждения роликов МНЛЗ

Схема установки арматуры в системах охлаждения роликов МНЛЗ показана на рис.3.6.

Рис. 3.6. Схема установки арматуры в системах охлаждения роликов МНЛЗ [3]

Технологический процесс

При непрерывной разливке стали расплавленная сталь превращается в ленты формованной стали.

Номер модели и описание:

A. Клапан регулирования расхода — Клапан Wafer sphere размером 6 дюймов с приводом VPVL и непосредственно установленным соленоидом

B. Устройство выборки мертвого хода размером 3/8 дюйма

C. Клапан Wafer sphere

D. Клапан регулирования потока — Клапан Wafer sphere размером 6 дюймов с приводом VPVL и непосредственно установленным соленоидом

E. Клапан выборки мертвого хода размером 1 дюйм

F. Клапан выборки мертвого хода размером 2 дюйма

G. Клапан выборки мертвого хода размером 2 дюйма

H. Клапан выборки мертвого хода размером 2 дюйма

I. Клапан выборки мертвого хода размером 1/2 дюйма.

3.1.6. Клапаны регулирования испарительного охлаждения

Схема установки арматуры для регулирования испарительного охлаждения показана на рис.3.7.

Рис. 3.7. Схема установки арматуры для регулирования испарительного охлаждения [3]

1, 2, 3 — охлаждаемые детали: 4 — бак-сепаратор пара; 5 — система питающих труб, 6 — регулировочные вентили, 7 — система труб, отводящих пароводяную эмульсию; 8 — коллектор пара: 9 — выпуск пара в атмосферу; 10 — дозатор и — подвод добавочной воды

Технологический процесс

При испарительном охлаждении тепло от нагретых элементов печи отводится водой, нагревающейся до образования пароводяной эмульсии. При этом используется скрытая теплота парообразования, т.е. тепло, отбираемое охлаждающей водой, затрачивается на ее испарение. В холодильники печи подается вода, освобожденная от солей жесткости и лишенная коррозионных свойств. Получаемый пар используется на технологические нужды производства.

КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ АРМАТУРА В ПРОЦЕССАХ МЕТАЛЛУРГИИ

ПРОИЗВОДСТВО ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

С поверхности горячекатаной полосы окалина удаляется путем непрерывного или периодического травления растворами серной или соляной кислоты. После травления полоса проходит нейтрализацию щелочным раствором, затем горячей водой. Травильный раствор подогревается паром до 80-90^оС. Отсасываемый из травильного отделения вентиляционный воздух, содержит 2,5-2,7г\м² паров соляной кислоты.

3.2. Цветная металлургия

Кроме рассмотренных случаев, применение поворотных клапанов в металлургии имеет свои особенности. В частности, количество сред, обладающих коррозионными и абразивными свойствами в них значительно выше, чем в черной металлургии. Значительно выше количество пульп, суспензий, шламов. Агрессивность сред и стойкость материалов современной поворотной арматуры Jamesbury приведена в приложении.

Для применения в условиях агрессивных пульп и суспензий применяются как специальная, так и модифицированная арматура. Для простоты свойства пульп и суспензий необходимо разделить на несколько подвидов:

— Коррозионные среды без абразивов (например, Электролиты)

— Коррозионные среды с мягкими абразивами

— Коррозионные среды с твердыми абразивами

— Нейтральные среды с абразивами.

Поворотные клапаны широко используются для 1 и 2 групп, где воздействие на клапан и находящийся под постоянным воздействием среды затвор является минимальным.

Основным фактором, ограничивающим применение и срок службы арматуры в условиях коррозионного воздействия, является стойкость материала арматуры. Задача осложняется тем, что в металлургии химически активные среды часто содержат абразивы. Так, например, значительной абразивностью обладают отработанные электролиты никелевой промышленности.

Для работы в условиях агрессивных сред применяют наиболее коррозионно-устойчивые материалы, в частности титановые сплавы. Они хорошо стоят в условиях серной кислоты, где их стойкость выше по отношению к нержавеющей стали в 15-25 раза. Учитывая высокую стоимость и больший вес титановых задвижек, они часто заменяются титановыми поворотными заслонками.

3.2.1. Применение поворотной арматуры в производстве алюминия

Специфические среды глиноземного производства составляют пульпы, шламы и суспензии с высокой щелочностью и абразивностью и склонностью к образованию на мокрых поверхностях твердых отложений, поскольку алюминаты способны разлагаться с образованием нерастворимых соединений, таких как гидроокиси и алюмосиликаты. Плотность рабочих сред составляет 1300-1700кг/м³. Температура — от 80 до 300^оС и рабочее давление 0,8-12МПа.

Основная часть аппаратов включена в непрерывный многозвенный технологический процесс, работающий круглосуточно. В таких условиях ненадежная работа арматуры приводит к большим непредвиденным остановам и потерям. Основные среды глиноземного производства приведены в табл. 3.1.

Табл. 3.2. Рабочие среды глиноземного производства

*окончательный выбор определяется расчетом.

Используется арматура диам 100-400мм, с обычным сроком использования на пульпах не более 6 мес и на чистых средах до 5-6 лет.

3.2.2. Применение поворотной арматуры в производстве никеля

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОИЗВОДСТВА НИКЕЛЯ

В настоящее время в промышленности применяется до 3000 сплавов никеля с различными металлами. Наибольшее потребление никеля составляют жаропрочные и нержавеющие стали — до 30-50%, конструкционные стали 10-15%. сплавы на никелевой основе 16-20%, гальванические покрытия и никелирование 10-18%, чугунное и стальное литье, литые жаропрочные и немагнитные сплавы — 10-12%, прочее, посуда, катализаторы, электроника и др. 8-10%. В настоящее время перерабатываются 2 основных типа руд, различающиеся по химическому составу и свойствам.

— Окисленные руды, характерен огневой метод получения никеля из руды, в основном за рубежом

— Сульфидные в основном медно никелевые руды, с обязательным присутствием кобальта, металлов платиновой группы, (платина, палладий, родий, рутений, осмий, иридий) Переработка на основе флотационного обогащения, (для бедных руд 1-2,5% Ni) характерны для РФ.

Состав продуктов обогащения приведен в табл. 3.3.

Табл. 3.3. Состав продуктов при обогащении медно никелевых руд

Для извлечения никеля используют пиро и гидрометаллургические процессы

Окисленные руды при их переработке получают огневой никель для применения в черной металлургии, с небольшим рафинированием и очисткой от основных примесей (Fe, Cu, Co, S) в течение всей многостадийной обработки с получением марки Н3, Н4, по ГОСТ 849-70.

Сульфидные руды — требуют обязательного разделения меди и никеля с обязательным окончательным электролитическим рафинированием чернового металла. Получают никель высших марок вплоть до Н-0 с содержанием никеля не менее 99, 99% с извлечением до 14 ценных компонентов. Уровень производства и потребления клапанов отвечает более высоким требованиям.

Рабочие среды никелевого производства

Рабочие среды никелевого производства приведены в табл. 3.4.

Табл. 3.4. Рабочие среды никелевого производства

2. ОСНОВНЫЕ КОНТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ СУЛЬФИДНЫХ РУД

1. Флотационное обогащение — с разделением на пирротиновый концентрат, медный концентрат и никелевый концентрат

Основные контуры флотационного обогащения — контуры подачи концентрата, добавки воздуха, пенообразователей, диспергентов, коагулянтов и т.п., отвода пены и шламов, циркуляционные схемы

Требования к процессу

Для эффективной работы флотоустановок должны соблюдаться следующие требования к регулированию процесса:

— рН оборотной воды должен поддерживаться на оптимальном уровне.

— Дозировка реагентов должна поддерживаться на стабильно постоянном и правильном уровне.

— Давление подаваемой воды должно поддерживаться на постоянном уровне и регулироваться в соответствии с требованиями процесса наиболее точно.

При несоблюдении требований потери и нестабильность процесса увеличивается.

Дополнительными требованиями являются использование контуров регулирования с широкими расходными характеристиками, что важно для воздуха, потребляемого в объеме до 50% от объема очищаемого раствора

Переработка никелевого концентрата имеет следующие процессы: плавка на штейн, завалка в печи, добавка флюса отвод газов, обработка шлака.

Основными процессами являются — добавки флюса, охлаждения печей, газоотвода и очистки, плавка никелевых концентратов на ГМК НН производится в руднотермических печах во взвешенном состоянии на подогретом обогащенном кислородом дутье.

Основными контурами являются — контуры горения, кислорода, подогрева дутья, сушки концентрата, участки пневмотранспорта подачи флюса и кокса, отвода газов и электрофильтра, водяного испарительного охлаждения

Контуры подвода флюса

В результате плавки получают небольшой выход штейна, обычно 8% от массы перерабатываемой руды. В тоже время загрузка флюса, сульфидизатора, (пирита), или гипса, известняка может потребовать такого количества, что технически и экономически будет неоправданно. Технико-экономические показатели плавки будут снижены, возрастут потери никеля со шлаками.

Контур пневмотранспорта флюса по этим причинам также является важным, поскольку точность дозирования определит погрешность заполнения печи материалом.

С учетом большего внедрения вместо гравитационных систем и систем пневмотранспорта в контролируемой среде, например, в конвертерных цехах вместо подачи воздухом используется подача контролируемого соотношения кислорода и азота по своим веткам, повышения степени автоматизации процесса, эффективность внедрения специализированных клапанов увеличивается.

Контур горения

Процесс горения топлива является одним из главных факторов, определяющие параметры работы печей при плавке никелевых руд. Качество сжигания топлива определяет температуру в печах, восстановительную способность топочных газов, производительность печей, расход топлива, извлечение металлов в штейн. Используется дорогой и дефицитный вид топлива — кокс. В фурмы должно подаваться дутье, обогащенное кислородом.

Совокупность этих параметров указывает на то, что обслуживающие печь контуры регулирования могут быть отнесены к критическим.

Контур испарительного охлаждения печей

До недавнего времени стены шахтных печей, например, на никелевых заводах изготавливали из водоохлаждаемых кессонов, шатер на колошнике выполняли также в виде огнеупорной кладки в металлическом каркасе или также из кессонов.

Кессоны шахтных печей представляли собой сварные коробчатые конструкции из листовой стали с патрубками для ввода и вывода охлаждающей воды. Перепад температуры входящей и выходящей воды обычно составлял 5-15оС. В этих условиях каждый литр воды отбирал максимально 4,18-15=63 КДж теплоты, где 4,18 — теплоемкость воды, кДж/кг ^оС)

Более эффективный способ отвода избыточной теплоты — испарительное охлаждение с использованием скрытой теплоты испарения воды (2253 кДж\кг), т.е. замене подогрева воды на испарение кипящей. При испарительном охлаждении каждый килограмм воды будет отбирать от охлаждаемых элементов около 2550 кДж теплоты, т.е. почти в 40 раз больше, чем при использовании кессонов. Во столько же раз уменьшается расход охлаждаемой воды. В результате получают пар, который может быть использован для технологических нужд, тогда как ранее вода нагревалась только на 10 оС, и тепло безвозвратно терялось при охлаждении.

Для реализации принципа охлаждающие элементы представляют собой сваренные из труб кессоны, объединенные 2 коллекторами — нижним для подвода воды и верхним для отвода пара.

Однако, реализация этого способа потребовала:

— использования только химически очищенной воды,

— перевода контура на работу с более высокими давлениями и температурами,

— возможности регулирования в т.ч. с учетом двухфазного состояния воды — пара — конденсата.

Сам контур стал более критическим, т.е. небольшие отклонения на входе могут вызывать большие погрешности на выходе.

Контур дутья

Интенсификации процесса плавки и снижению расхода кокса способствует подогрев дутья и обогащение воздуха кислородом. Так, нагрев дутья при агломерированной плавке ведет к экономии топлива на 15.2%, а при 400 ^оС — на 23,3% и к росту проплава соответственно на 10 и 15,3%. Обогащение дутья кислородом до содержания 25% позволяет повысить проплав печи на 22,2%, а расход кокса уменьшить на 17%.

3. Получение медноникелевого штейна, конвертирование

Добавка кварца и подача воздуха. Конвертирование проводят в горизонтальных конвертерах 75-100 тонн.

Основные контуры — обслуживания горизонтального конвертера, подачи воздуха, завалки добавок и флюсов, дегазации, газоотвода и газоочистки и др.

Типовые проблемы. Процесс конвертирования, чтобы кобальт сохранить в файнштейне нужно вести с неполным окислением железа. В противном случае кобальт преимущественно перейдет в конвертерный шлак. В связи с этим, цикл поддержания степени окисленности расплава в печи должен быть выдержан и отрегулирована подача дозирующих компонентов.

4. Флотационное разделение меди и никеля

Состоит в разделении на богатый никелевый концентрат и богатый медный концентрат — с передачей его в медное производство.

Основные контуры — концентрата, подачи химикатов флотации, воздуха, отвода пены и др.

Типовые проблемы Файнштейн требуется медленно охлаждать в течение до 40-80 ч, чтобы обеспечить получение достаточно крупных кристаллов и хорошее вскрытие кристаллических фаз. Длительность и непрерывность процесса предъявляет повышенные требования к устройствам дозирования и подачи химикатов, точности регулирования, низкой инерционности процесса и т.п.

Поскольку флотацию ведут в сильно щелочной среде, то материалы в т.ч. и обслуживающих основной поток клапанов должен быть устойчивым к действию щелочей.

Карбонильное разделение меди и никеля

Температура процесса — 190-220 ^оС, давление до 17-23 МПа. По этому процессу в реактор — бомбу загружают файнштейн с пониженным содержанием серы. Карбонил никеля возгоняется, а медь и платиноиды и кобальт остаются в осадке.

Учитывая, присутствие газовой фазы с присутствием критического по соотношению количества СО, отработке контуров подачи газа СО на реакцию должно уделяться особенное внимание в связи с возможностью дополнительного роста погрешности. Характеристики реакции приведены ниже.

Ni+4CO =Ni(CO)₄

Для очистки от железа технический карбонил никеля дополнительно подвергают фракционной перегонке (ректификации). Очищенный карбонил направляют в башню разложения, обогреваемую до 200-220 ^оС. Продукт разложения — готовый карбонильный порошок.

Получение оксида никеля

Производится агломерирующим и окислительным обжигом.

Основные контуры — природного газа, воздуха, сушильных трубчатых печей, охлаждения, термической обработки окатышей, (сушка, окислительный обжиг и охлаждение гранул) газоотвода с подачей газа на производство серной кислоты

Получение чернового анодного никеля

— восстановительная плавка в дуговых электрических печах без наведения шлака Основные контуры — отвода газов, добавки флюсов, отвода газов

7. Получение финишного продукта — катодного никеля

— электролитическое рафинирование методами электролиза

Основные контуры — подачи электролита, поддержания концентрации и температуры.

Основные проблемы в связи с множеством примесей, таких как кобальт, железо, цинк, медь и катионы водорода, при несоблюдении режима и значительных погрешностях в регулировании они могут раньше или вместе с ним разряжаться на катоде. В связи с этим необходимо:

— Оптимизировать составы электролита совместно с электрическим режимом и сопряженными контурами регулирования.

— Обеспечить оптимальную циркуляцию электролита.

Поскольку для электролиза никелевых анодов применяют сульфатхлоридные электролиты, то их основными компонентами являются сульфаты никеля и натрия и хлорид железа. Для автоматического регулирования рН электролита в пределах 2,5-5 в него вводят борную кислоту, которая в зависимости от изменений кислотности электролита также может диссоциировать как с уменьшением рН, так и увеличением. Регулирование должно быть точным, в связи с тем, что такой контур также может быть отнесен к критическим. Реакция приведена ниже.

B³⁺ + 3OH ^- =H₃BO₃ = 3H⁺ + BO₃ ^3-

Уменьшение рН Увеличение рН

Основные проблемы и задачи

Единственно допустимым процессом на катодах в условиях электролитического рафинирования никеля является восстановление катионов никеля. Все остальные катодные реакции ведут либо к загрязнению катодного никеля, либо снижают выход по току. Получение чистых катодных осадков на практике достигается отделением катодного пространства от общего объема загрязненного электролита с помощью катодных диафрагм и особой системой циркуляции электролита.

Загрязненный электролит — анолит непрерывно выводят из ванн на обязательную очистку от железа, кобальта, меди на специальную очистную установку. После очистки он подается в катодные диафрагмы.

Подача католита регулируется таким образом, чтобы его уровень в катодной диафрагме превышал уровень электролита на 30 — 40 мм. В результате этого, обогащенный никелем католит под действием электростатического давления проходит через поры диафрагмы и, как бы отталкивая анолит от диафрагмы, не дает примесям проникать в катодную ячейку.

Дефицит никеля при электролизе в катодном пространстве необходимо непрерывно восполнять подачей никельсодержащих материалов. Регулирование должно быть увязано с другими контурами регулирования, что делает взаимосвязь работы контуров регулирования сложной и может вызвать эффект автоколебаний и «танцующих» контуров.

Количество катодных диафрагм и анодов в одной ванне из двух никелевого электролизера — до 44 ед., столько же должно быть запитанных контуров подачи электролита и его отвода. Для подачи католита в ванны служат гребенки из фаолита или винипласта с калиброванными ниппелями, снабженными резиновыми трубочками. По ним в каждую диафрагму подают католит. Скорость подачи католита регулируют по его уровню в диафрагменной ячейке. Характеристики циркуляции католита приведены ниже:

Плотность тока катодная А\м² — 180-350

Напряжение на ванне, В — 2,6-3,0

Температура католита, ^оС — 55-75

рН католита — 2,1-4,8

скорость циркуляции католита на ячейку, л\ч — 20-30

расход электроэнергии на 1 т никеля, кВтч — 2400-3300

выход анодного скрапа, % — 16-18

Очистка анолита — включает 3 основные операции — очистку от железа, меди и кобальта.

Очистка от железа — FeSO₄+. Проводится с переводом иона в 3-х валентное состояние с последующим гидролитическим осаждением (Fe₂O₃xH₂O) Окислителем служит кислород воздуха. Очистку проводят в чанах с воздушным перемешиванием (пачуках). При гидролизе образуется серная кислота, для ее нейтрализации вводят карбонат никеля.

Для отделения полученных кеков от раствора используют дисковые фильтры. Дважды проводится кислотная репульпация с целью извлечения части никеля и далее материал плавят вместе с рудным сырьем в руднотермических печах.

Очистка от меди — цементацией меди никелевым порошком. Используется восстановление оксида никеля водородом. Обеспечивается отсутствие кислорода и используется специальные аппараты — цементаторы. Никелевый порошок подают на вход нагнетательных насосов, растворы снизу в цементатор. В верхней части аппарата скорость вертикального потока снижается из-за резкого расширения корпуса, в результате чего частицы твердых материалов образуют четко выраженный кипящий слой, который удерживается на глубине 2м от сливного порога. Выделившуюся цементную медь периодически выпускают из цементатора и направляются в медное производство.

Больший эффект может быть достигнут при применении специальных клапанов типа Покет Фидер, которые в меньшей степени будут сбивать режимы процесса за счет увеличения циклов выпуска меди и приближения процесса к непрерывному.

Очистка от кобальта. Проводится по процессу, близкому к очистке от железа с использованием газообразного хлора в качестве окислителя.

Реакция представлена ниже:

2CoSO₄ + Cl₂ + 3H₂O + 3NiCO₃= 2CO(OH)₃ +2NiSO₄ + NiCl₂ +3CO₂

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Гидрометаллургические процессы наиболее распространены при производстве никеля по сравнению с производством меди. В настоящее время их применяют для переработки окисленных никелевых руд и никелевых сульфидных концентратов, пирротиновых концентратов, сульфидных полупродуктов (штейнов, файнштейнов и др.) Используются сернокислые, аммиачные и солянокислые растворы.

Основной процесс — выщелачивание с применением повышенного давления. Это позволяет вести процесс при повышенных температурах. Высокие давления и температуры ускоряют химические реакции и повышают полноту их протекания. Рост параметров безразрывно связан с совершенствованием условий гидротранспорта и регулирования сред, а повышение непрерывности процесса приводит к выраженной потребности в автоматизации и автоматическим клапанам. Используются автоклавные процессы. Их проводят в специальных герметичных автоклавах. В металлургии никеля применяются горизонтальные автоклавы.

Гидрометаллургическим способом перерабатываются окисленные никелевые руды, содержащие 1,5%Ni и 0,8%Co по аммиачной схеме. Сначала руду подвергают селективному восстановительному обжигу, при котором никель восстанавливается до металла, а железо до Fe₃O₄. Охлажденный огарок выщелачивают в турбоаэраторах — герметичных пневмомеханических мешалках — с растворами, содержащими 5-7% аммиака и 4-5% оксида углерода. Общий процесс с точки зрения критичности для контуров регулирования может быть отнесен к таковому по аммиаку, см. ниже.

Me + 6NH₃ +CO₂+1\2O₂ = Me(NH₃)6CO₃

Гидроксид железа и большая часть кобальта остается в хвосты выщелачивания. Полученные растворы далее подвергают термическому разложению острым паром с образованием нерастворимых карбонатов никеля и кобальта. Осадок карбонатов сушат и прокаливают в термических печах, что приводит к образованию оксида никеля. Оксид никеля спекают на агломерационных машинах. Товарным продуктом технологии является спек (синтер), содержащий 88% Ni и 0,7%Co.

Дальнейшее совершенствование технологии заключается в применении сернокислотного выщелачивания под давлением до 0,4-0,5МПа в вертикальных автоклавах, что позволяет проводить процесс при температурах до 240-260 ^оС. В раствор при выщелачивании переходит до 95% никеля и кобальта в виде сульфатов NiSO4 и CaSO₄. После очистки от железа раствор нейтрализуют и обрабатывают сероводородом в специальных автоклавах, в результате чего получают сульфидный концентрат. Конечное извлечение из руды 90%.

Аммиачное выщелачивание проводят в 4-х камерных автоклавах объемом 120 м³ для сульфидных никелевых концентратов (14%Ni, 3%Cu, 0,2%Co, 35% Fe, 28% S).

Технологическая схема:

1. аммиачное выщелачивание концентрата при Т =77-82^оС, давлении 70 КПа, в раствор в форме аммиакатов переходит никель, медь и кобальт, а железо, окисляясь, выпадает в осадок в виде гидроксида.

2. кристаллизация сульфида меди при нагреве раствора до 110 ^оС.

3. последовательное автоклавное восстановление водородом никеля и осаждение кобальта сероводородом

4. кристаллизация сульфата аммония из отработанного раствора.

В РФ такие схемы используются на РАО ГМК Норильский Никель для переработки пирротиновых концентратов, на комбинате Южуралникель для переработки кобальтового штейна (автоклавной массы), получаемой пи обеднении конвертерных шлаков, на комбинате Североникель для растворения богатых никелевых концентратов с целью обогащения никелевого электролита.

Другие гидрометаллургические процессы.

— Окислительное выщелачивание в горизонтальных автоклавах с рабочей емкостью до 10 м³ при 108 ^оС и давлении 1,5 МПа.

— Серосульфидная флотация — флотационное отделение сульфидов и элементарной серы от оксидов.

— Плавка автоклавного сульфидного концентрата (Надеждинский металлургический завод РАО ГМК Норильский Никель).

— Солянокислое выщелачивание (Норвегия).

ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА КЛАПАНОВ

Клапаны и арматура для основных процессов никелевого производства должны определяться при помощи расчета с использованием следующих данных:

— среда

— условия по давлению, температуре, разнице давлений

— требования к регулированию, качество, надежность и погрешность регулирования в течение заданного срока эксплуатации

— возможности автоматизации, используемым протоколам, возможность работы электроники в условиях загрязненной среды никелевых цехов

— конструктивное исполнение и привязка к трубопроводам.

— требование унификации

Сложность выбора клапанов для никелевого производства определяется большим количеством применяемых и сложных сред, большими объемами и скоростями потоков, сложными коррозионными условиями.

В отличие от традиционного выбора по технико-экономическим показателям, для производства никеля и подобных сложных производств лучше осуществлять выбор по наиболее сильным проектным решениям.

Материалы для клапанов ассортимент материалов для клапанов, удовлетворяющим требованиям процессов в металлургии весьма ограничен, и выбор представляет сложную задачу.

Влияние конструкции проточной части. Как известно, регулирование происходит в зависимости от изменения давления и расхода до и после клапана. В связи с особенностями регулирования внутри клапана всегда происходит определенное понижение, и затем восстановление давления. Однако, если в процессе регулирования обычной жидкости после образования кавитационных пузырьков происходит их схлопывание, то в случае снижения давления ниже критического схлопывания не происходит, и на зародившихся пузырьках начинает развиваться поток туманно-капельного типа, выделение солей, деградация растворов и т.п. Возникающие в результате несовершенства проточной части погрешности регулирования и потери, следующие из растущей колебательности процесса, значительно увеличиваются.

Тенденции развития клапанов

— замена седельных клапанов на шаровые и поворотные заслонки.

— замена шиберных задвижек и клиновых задвижек на поворотные заслонки

— унификация клапанов

— автоматизация клапанов и использование современных полевых шин

— перевод на внешнее сервисное обслуживание

2.2. Проблемы истечения двухфазных жидкостей и регулирования их течения

Особенность течения многих жидких сред в металлургии заключается в том, что они могут образовывать двухфазные смеси. Это касается определенной части химических и электролизных процессов, флотации, возможности разложения и выделения газов, вскипания и парообразования.

Это, кроме прочего, означает, что в трубах всегда присутствует как минимум до 5% газовой фазы, как распределенного в виде пузырьков, так и возможно сформировавшихся пробок. Первый случай наиболее част и может вызвать эрозионное разрушение клапанов. В первую очередь, оно выражается в том, что клапан начинает пропускать, не держит давление и не способен регулировать. Результатом в этом случае может быть нарушение всего взаимодействия в системе, идущей от правильного соотношения и разницы давлений в смежных системах.

Во втором случае результат очевиден. Это гидроудар и прямое разрушение клапана. Как известно, сила гидроудара в несколько раз превышает номинальное рабочее давление. Отчеты по состоянию клапанов, имеющих интеллектуальные системы самодиагностики, показывают, что таких гидроударов может приходиться по несколько раз в день, они зачастую связаны с повторными пусками систем после остановов.

Кроме того, при определенных схемах течения должно быть обеспечено правильное соотношение дифференциала давлений между потребителями. Задача регулирования в этом случае возлагается на регулирующие клапаны.

Табл. 3.5. Участки эффективного применения клапанов Neles — Jamesbury на основных и критических участках никелевого производства (справочно)

* требуется дальнейшая детализация и уточнение.

4. Типовые схемные решения обеспечивающих производств

4.1. Применение поворотной арматуры в схемах подачи инструментального воздуха

Типовая система подачи технического воздуха на сталелитейном заводе начинается с централизованного блока, который состоит из серии, или батареи компрессоров, которые поставляют воздух к различным устройствам на предприятии, через распределительный трубопровод.

Хотя многие отдельные производственные площадки имеют малые компрессоры, поставляющие воздух для отдельных технологических операций, практически все эти площадки обслуживаются системой подачи технического воздуха.

Технологический процесс

Требования к сжатому воздуху на сталелитейных предприятиях могут быть разделены на две категории в соответствии с функциями. Первое требование: это воздух для компрессоров, который не требует сушки или удаления жидкости. Этот воздух может быть применен для подвода воздуха к многочисленным пневматическим устройствам, а также для устройств по удалению отходов. Также этот неосушенный воздух используется для вибрационного оборудования. Воздух служит движущей силой вибрационного перемещения при вибрационной подаче материала, в вибробункерах и саморазгрузочных устройствах. Второй функцией технического воздуха является получение из него приборного воздуха с помощью пневмостанции высушивания и очистки до фильтрации и после фильтрации, специально сконструированной для удаления влаги и пыли. Этот очищенный и высушенный воздух затем подается через трубы к различным панелям управления и приборам. Давление подаваемого технического воздуха обычно бывает от 60 psi до 90psi в зависимости от потерь и перепада давления в системе распределения. Давление приборного воздуха обычно поддерживается на уровне 40psi.

Наиболее очевидная проблема систем с неосушенным техническим воздухом это то, что влага, которая собирается в сети, приводит к замерзанию системы зимою. Наилучшим решением является поддержание работоспособности системы с помощью нашей PMV продукции.

Применение клапанов

А. 1 1/2"351 отсечной клапан (cм. пункт 3)

В. 3/4” 351 отсечной клапан (см. пункт 3)

С. 2” 351 отсечной клапан (см. пункт 3)

D. 1” клапан регулирования давления

Рис. 4.1. Типовая схема подачи приборного воздуха [3]

4

.2. Применение в схемах парогенераторов

Пар широко применяется в процессе производства стали для таких целей, как регулирование нагрева, сушки и влажности, а также как движущая сила турбин и турбокомпрессоров. Он также широко используется для защиты оборудования.

Технологический процесс

Пар производится в котлах из воды высокой степени чистоты, которая нагревается топливным маслом, природным газом, углем, доменным газом, коксовым газом или комбинацией вышеперечисленного. Перегретый газ добавляется с помощью блока действующего как пароперегреватель. Блок измерения температуры пара называется B.T.U. Способность к нагреву часто определяется как 1/180 температуры нагрева, необходимой для того, чтобы поднять температуру одного фунта воды от 32 F до 212 F.

Влажный пар является менее желательным, чем сухой и перенасыщенный пар. По большей части, пар, производимый для использования на сталелитейных комбинатах, должен находиться под давлением не больше 170psi и иметь температуру не больше 450 F.

Рис. 4.2. Схема парогенератора [3]

ПРИМЕНЕНИЕ В СХЕМАХ КОНДЕНСАТОРА ПАРОГЕНЕРАТОРА

Конденсат формируется, когда пар отдал или потерял тепло. Конденсацию пара на сталелитейных предприятиях можно разделить на две категории. Первая категория это нежелательная конденсация, появляющаяся вследствие излучения тепловой энергии трубопроводом и от установленных элементов, таких, как клапаны и регуляторы. Вторая категория — это формирование конденсата по мере того, как пар проходит нагревательное и обрабатывающее оборудование. Чем быстрее работает пар, тем быстрее он превращается в конденсат и из кг пара получается кг конденсата.

Конденсат удаляется для того, чтобы подвести пар для технологического процесса, максимально очищенный от излишней влаги. Конденсат удаляется с помощью отводов и паросепараторов.

Оборудование восстанавливает конденсат и отправляет его обратно в котел для использования в качестве вторичного источника воды для котла.

Паросепараторы расположены в каждой нижней точке трубопровода и в конце каждого прогона. Максимальное расстояние между паросепараторами не превышает 200 футов.

Рис.4.3. Применение арматуры в схемах конденсатора [3]

ПРИМЕНЕНИЕ В СХЕМАХ ПАРОГЕНЕРАТОРА. СХЕМА ПОДАЧИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Наиболее привычный тип топлива, которое используется для нагрева котлов парогенераторов это топливное масло №6, которое имеет вязкость 3000 SSU. Температура топлива 130 F.

Технологический процесс

Топливное масло подается из системы подачи в накопительные баки (хранилища), оснащенные внутренними нагревателями, работающими на пару и сконструированными для хранения масла при температурах приблизительно 90 F, учитывая температуру 0 F. Масло затем подается через нагреватели всасывающего типа, которые получают тепло от пара и сконструированы так, что поднимают температуру топливного масла с 90 F до приблизительно 130 F, при которой масло обладает большей текучестью. В системе распределения применяются перфорированные затворы для удаления загрязнения. Затворы устроены так, что можно удалять и чистить один из них во время эксплуатации системы, пока система работает с одним затвором.

Трубопровод подачи топливного масла и его обратный трубопровод имеют путевой подогрев, который осуществляется с помощью небольшого паропровода. Он помещается в тот же канал, что и линия подачи масла и покрывается изоляцией совместно с нею, чтобы поддерживать температуру масла для обеспечения текучести масла и его подачи по трубопроводу.

Расходные резервуары или впускные резервуары оснащены балансирующим коллектором, который эффективно балансирует уровень, каждого из резервуаров, для улучшения параметров распределения.

Рабочие насосы, используемые в системе подачи масла, обычно электрические. Резервные насосы или насос обычно управляются паровой турбиной и включаются в процесс при перебоях с электроснабжением или при любой неисправности электрического насоса.

Основной проблемой системы распределения масла является потеря тепла. Без значительного нагрева топливное масло становится вязким, и работать с таким маслом крайне неудобно.

Конец ознакомительного фрагмента.