Курс «Инженер по расчету и выбору регулирующей арматуры»

Станислав Львович Горобченко, 2021

В учебно-практическом и методическом пособии изложены основы проведения расчетов и выбора исполнительных устройств, применяемых в технологических установках промышленной энергетики, ЦБП, химии, нефтехимии и др. Для этих целей в Российском ЦБП используется в основном программа Nelprof по определению размеров и выбору регулирующей арматуры. Приведены справочные материалы и примеры выполнения практических расчетов регулирующих органов для регулирования потоков. Демонстрируется опыт проведения расчетов в разных компаниях. В пособии демонстрируются основные подсистемы программы, включая уравнения для вычислений и экспертные знания по интерпретации полученных материалов, и то, как на их основе выполняется анализ выбора и осуществляются рекомендации по выбору регулирующей арматуры. Учебное пособие предназначено для слушателей дистанционных курсов по трубопроводной арматуре системы дополнительного профессионального образования в арматурной отрасли.

Модуль 2. Требования к проведению рсчетов и выбору регулирующей арматуры

2.1. Надежный расчет арматуры и критерии проведения расчетов

Если вам нужно рассчитать большое количество арматуры в одном проекте, то проблемы для всех участников будут высоки. Нехватка времени, задержки в передаче данных возникают всякий раз, когда происходит обмен информацией. Оперативные данные, которые подвергаются регулярным изменениям, плохая связь между заинтересованными сторонами проекта — все это создает немалый риск того, что будут допущены ошибки при выборе арматуры. В худшем случае результатом могут быть задержки на этапе ввода проекта в эксплуатацию или незапланированные простои, которые нарушают производство. Последующие затраты на неправильно подобранную арматуру могут легко возрасти в шесть или семь раз. Однако большинство потенциальных проблем может быть заранее обнаружено и устранено путем проведения непрерывного и всестороннего контроля с использованием подходящих программных средств.

Хотя предыстория каждого проекта весьма специфична, тем не менее есть несколько областей, которые можно обобщить. Типичный проект имеет, по крайней мере, три заинтересованных стороны, это: персонал предприятия, EPC контрактор и поставщик арматуры. Практически никогда не бывает, чтобы портфель одного производителя арматуры включал решения для удовлетворения всех требований.

Главная проблема здесь заключается в том, как быстро и надежно определить те 90-95% клапанов, которые должны удовлетворять только нормальным техническим требованиям, и могут быть оценены на основе общих критериев, таких как тип\вид арматуры, номинальный диаметр, значения пропускной способности Сv и соответствие бюджету. После решения этой задачи оставшееся время должно быть использовано для рассмотрения критических случаев, в которых особенности процесса регулирования могут иметь важное значение для качества управления технологическим процессом.

В результате неправильного выбора арматуры вскоре стоимость одного клапана в эксплуатации может возрасти в десять или двадцать раз. Это не редкость в проектах, когда на 5% от общей спецификации клапанов приходится до 40% стоимости от всех регулирующих клапанов. Кроме того, по большому счету, справедливый процент таких клапанов еще, как правило, не определен достаточно точно, чтобы иметь возможность указать бюджетную цену. Тем не менее, требование немедленного перерасчета и выбора оптимального решения все-таки являются критичными и для этих сложных участков регулирования, и получение недостающей информации является обязательным в виду сжатых сроков проектов.

Как только производители арматуры получают контракт (обычно по фиксированной стоимости), все начинается сначала — каждый клапан должен быть рассчитан заново, на этот раз детально. Ситуация часто может кардинально измениться на этом этапе, поскольку, как правило, данные процесса являются лишь предварительными на момент запроса котировок и вполне могут не стать окончательными до тех пор, пока проект не будет фактически введен в эксплуатацию. Поправки к первоначальной спецификации также являются обычным делом на протяжении всего проекта.

EPC контрактор — этот"нервный центр"проекта — играет центральную роль в процессе инжиниринга и реализации проекта. EPC контракторы должны быть в состоянии проверить решение путем сравнения характеристик рассчитанных и выбранных клапанов для нескольких своих технологических отделов. Еще раз необходимость и способность определить критические клапаны будет весьма актуальной, потому что эти специальные клапаны будут иметь более длинные сроки поставки по сравнению со стандартными клапанами из-за специальных расходных характеристик, особенностей настройки позиционеров, специальных материалов и пр. Поэтому они всегда должны находиться в верхней части списка дел проекта.

Представители предприятия или заказчика (клиенты, которые ведут проект) очень хорошо осведомлены об этих проблемах. Они пытаются выявить потенциальные проблемы на раннем этапе с помощью различных механизмов контроля, чтобы можно было принять соответствующие меры. Однако их успех часто ограничен из-за нехватки ресурсов. Как правило, это всего один инженер на весь проект, который имеет время только для проверки случайных выборок. К тому же он, как правило, отвечает не только за клапаны, а также не имеет адекватных программных средств.

Хотя более чем обычной реакцией является то, когда просто утверждают: “это так, ведь это проект", но в то же время это не является ответом. Проблемные области должны быть как можно скорее однозначно определены, а также найдены рациональные и работоспособные на практике решения по их устранению.

Одной из конкретных проблем, от решения которой зависит многое другое, является обмен информацией. Любой, кто наивно полагает, что, в конце концов, EPC контракторы работают с САЕ системами, или, что спецификации клапанов стандартизированы по IEC или ISA — и, возможно, даже цитируют такие стандарты, как PROLIST, NE-100, eClass, IEC 61360 и ISO 13584, почти наверняка никогда не имел с этим реальных дел.

Дело в том, что"электронный обмен данными"часто оказывается сканированием листов спецификаций, которые были изменены для целей конкретного проекта, и теперь должны быть введены"вручную". При этом частота ошибок достигает от 5 до 10%, что характерно, когда такого рода задачи должны быть завершены под давлением срока представления предложения. При необходимости процесс повторяется снова и снова, каждый раз, когда данные пересматриваются.

На втором этапе клапаны должны быть рассчитаны в соответствии с последними стандартами, и подходящая номенклатура от соответствующих производителей затем указывается в спецификации. То, что на практике означает"подходящий", должно быть определено с использованием четко определенных критериев качества регулирования по требуемым задачам регулирования, а также эталона рисков потери надежности регулирования. То же самое относится и к тем случаям, когда расчет клапанов проверяется EPC контрактором или инженером предприятия, ответственным за контроль качества.

Как результат нашего рассмотрения, можно сказать, что высокоскоростной, но безошибочный обмен данными между участниками проекта имеет первостепенное значение.

Если, таким образом, процесс разбивается на две основные задачи:"высокоскоростной обмен данными"и объективная, сопоставимая оценка надежности решения по выбору арматуры, то можно разработать прагматический подход, с помощью которого другие проблемы, такие как временное давление и стопроцентный контроль качества (а не просто случайные выборки), могут быть более эффективно решены.

Что касается формата данных, то можно с уверенностью предположить, что все заинтересованные стороны знакомы с Excel и что они способны создавать и считывать данные и обновления данных в формате Excel. Формат обычно определяется EPC контрактором (технологом или инженером процесса (process engineer)), который создает исходные данные процесса для компьютерной оболочки, используемой в запросе котировок; постоянные обновления также поступают из этого же источника. Все, что здесь имеет значение, — это то, что соглашение будет достигнуто, по крайней мере, в согласованном формате на протяжении всей жизни проекта. Независимо от того, как он выглядит, он должен содержать всю информацию, необходимую для расчета.

Когда дело доходит до независимого от поставщика проведения расчета, выбора и оценки решений для клапанов, необходимо использовать соответствующие независимые программы. Такие программы есть. Например, таким инструментом может быть программное обеспечение выбора арматуры для проектов CONVAL от компании F.I.R.S.T Gmbh. Она не только позволяет рассчитать арматуру от любого изготовителя, она также включает индекс надежности"Ri", который позволяет оценить потенциальные проблемы с выбранными клапанами для данного процесса. В дополнение к анализу причин, программное обеспечение также предоставляет рекомендации по их устранению.

Конечно, не каждый производитель клапанов использует подобные программы. В частности, лидеры рынка арматуры почти всегда разрабатывали собственные программные средства для расчета собственных клапанов. Однако большинство этих инструментов также поддерживают обмен данными с Excel.

Заключительная задача состоит в том, чтобы согласовать все эти аспекты друг с другом — массивные данные из Excel от EPC контрактора или производителя клапанов, с одной стороны, и расчеты и анализ надежности — с другой.

Как упоминалось ранее, структуры данных почти никогда не оказываются абсолютно идентичными, даже если все доступно в Excel (Рис.2.1).

Рис. 2.1. Окно исходного материала проекта

Для того чтобы гарантировать здесь сопрягаемость данных, компании разрабатывают специализированные программные инструменты — адаптеры. Они позволяют обрабатывать, читать и сопрягать данные по клапанам с разнородными структурами.

После того, как эта информация была сопоставлена со структурой технологических данных EPC контрактора, предварительный анализ может быть произведен в течение нескольких минут. Затем необходимо рассмотреть различные вопросы:

1. Подходят ли типы клапанов, номинальные диаметры и пр., указанные EPC контрактором для этой задачи?

2. Какие позиции (теги) могут вызвать проблемы?

3. Каковы критические участки установки и применения арматуры?

4. Какие клапаны должны быть подробно рассмотрены и детализированы на ранней стадии?

Какие из них можно изготавливать уже на бюджетной стадии?

Результаты типичного первого прогона спецификации показаны на рис. 2.2.

Рис.2.2. Данные анализа арматурной спецификации крупного проекта

Из рис. 2.2. видно, что 28 % рассчитанных клапанов не могут быть поставлены по ряду причин. Сразу понятно, где необходима дальнейшая консультация. Благодаря классификации по категориям надежности (Ri), можно сразу увидеть (см. рис.2.3), что 72% всех рассчитанных клапанов могут быть указаны в бюджете без каких-либо проблем в соответствии со спецификацией EPC контрактора.

Рис.2.3. Оценка надежности арматуры по критерию Ri (CONVAL)

Программа быстро покажет, какие позиции (теги) являются рабочими, а какие требуют дополнительного разъяснения. Модифицированные данные от EPC контрактора вводятся в программы-адаптеры таким же образом, как и новые ревизии проектных спецификаций. Таким образом, новая информация может быть обновлена и проверена, как только она будет доступна.

Детальный вид окна может быть легко отображен в любое время; номера тегов могут быть отмечены в обзоре и открыты в программе для проведения точного анализа.

Эта же процедура может быть применена и к данным расчета, предоставляемым производителем. Проблемы общего характера или аномалии, такие как"тип клапана, выбранный производителем, не соответствует типу, указанному в спецификации EPC контрактора", могут быть легко обнаружены, и программное обеспечение предоставит предложения по выбору клапана, который лучше подходит (Рис. 2.4).

Рис.2.4. Вид окна в программе CONVAL по проблемной позиции

Конечно, никто не будет подвергать сомнению способность поставщиков клапанов правильно определять размер своей собственной продукции. Однако из-за пробелов обработке информации, возникающих при обмене данных ("ручная передача данных"), или неучет критических позиций, риск включения в спецификации неправильно рассчитанных клапанов возрастает с каждой ошибкой в передаваемых данных. Временное и финансовое давление лишь усугубляют ситуацию.

Принцип, в соответствии с которым все данные, относящиеся к клапанам, управляются из центральной точки, которая"заботится"обо всем — от проверки достоверности через отслеживание изменений в случае пересмотра данных до анализа надежности — имеет одно большое преимущество — это время, сэкономленное таким образом за счет эффективной обработки массива данных и статистических оценок. Вместе с ясной картиной критичности конкретных участков технологии и предлагаемых клапанов, значительно облегчается фокусирование внимания конкретно на выявленных потенциальных проблемах.

Применимость этой методики очевидна. Анализ проведенных разными компаниями проектов действительно показывает, что однозначно выявляются случаи, когда проблемы неправильного выбора арматуры действительно имели место на практике и могли быть решены на ранних стадиях разработки проектной спецификации.

Очевидно, что есть еще много аспектов, таких как условия пуска, качество контроля, расчет жизненного цикла, учет энергосбережения при работе арматуры и множество других, которые также необходимо учитывать. Благодаря концепции надежности расчета их теперь можно рассматривать как будущее подходов дальнейшей оптимизации процесса выбора арматуры. С развитием этих подходов появятся и обслуживающие их современные программные средства.

2.2. Ключевые показатели эффективности расчетов

Начнем с примера. Современный ЦБК — это 4000 регулирующих клапанов, до 10.000 единиц автоматической арматуры, составляющих общий пул до 30.000 единиц арматуры. Все они должны быть точно рассчитаны и поставлены точно в срок. При запуске нового предприятия часто требуется реинжиниринг и замена регулирующих клапанов на критических участках. Это может привести к длительным задержкам пуска предприятия и значительным эксплуатационным потерям, как в самом начале его эксплуатации, так и в процессе всего жизненного цикла оборудования.

ВНЕПРОЦЕССНЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

Применение новых принципов оценки надежности для “Внепроцессного контроля качества"(NPQC) прокладывает путь к значительному повышению качества в выборе клапанов, снижению стоимости устанавливаемой арматуры и уменьшения проблем, связанных с арматурой для персонала предприятий при очень привлекательном соотношении затрат и выгод на спецификацию арматуры.

Традиционно, критичными участками эксплуатации для работы арматуры называют те из них, где регулирование или управление процессом сильно затруднено. Это участки с пенообразованием, газовыделением, противопомпажные системы, редукционные клапаны и пр. На них, как правило, устанавливают специальную арматуру.

Отдельным блоком выступают критические участки установки регулирующей арматуры, где недостаточная точность регулирования приводит к большим отклонениям и значительной колебательности процесса.

Приведем пример.

«Комбинат Kruger Waygamatik, Канада имеет следующие показатели:

— Новая бумагоделательная машина для выпуска легкомелованных видов бумаг.

— Коммуникации, основанные на HART протоколе.

— Основная система управления — Metso DNA

— Основное обеспечение — Metso Automation, (регулирующие и отсечные клапаны, датчики концентрации и анализаторы), АВВ — датчики температуры, давления и расхода, Е+Н — расходомеры, Vega — регуляторы давления, Rosemount (управление температурой и давлением от HART DTM).

Клапан подачи осветленной воды обычно способен устранять малые вариации и отклонения от заданного перемещения до 0,8%. Отклонение до 0,8% обычно не так важно, но в этом случае оно имело очень большой эффект на вес м2 бумаги. После выбора клапана с лучшей равнопроцентной характеристикой и его перерасчета, включения в спецификацию цифрового позиционера с возможностью самодиагностики и увеличения надежности измерений отклонение перемещения от заданного было уменьшено до 0,3% и вариации веса м2 были соответственно уменьшены. Для этого клапана было достигнуто значение тревожного сигнала при отклонении перемещения от заданного на величине не более 0,3%.»

(По данным компании Metso Automation)

Как можно видеть из приведенного примера, надежное и, в то же время, недорогое решение было достигнуто при помощи совершенствования расходной характеристики клапана и соответствующего выравнивания коэффициента усиления, но не применения сверхточной и потому дорогой специальной арматуры.

Одной из существенных проблем является то, что количество дорогой арматуры, поставляемой для критичных условий эксплуатации, приводит к неоправданному росту стоимости проекта. Так, глядя на влияние выбранных по проекту клапанов на дополнительные затраты по запуску предприятия или технологической установки, можно увидеть некоторые закономерности. Количество клапанов, работающих не должным образом во время запуска или вскоре после него, и приводящих к задержкам пуска или простоям, составляют, по данным компании F.I.R.S.T Gmbh от 3-х до 6%, в зависимости от процесса. Как правило, это касается критичных участков эксплуатации, и здесь устанавливают наиболее серьезные и дорогие клапаны. Их обычно называют клапанами"с высокими эксплуатационными характеристиками для критических применений” (в общепринятой терминологии High Performance Valves). Их процент в общей стоимости приобретаемых клапанов может составлять до 40%, как это показано на рис.2.5.

Рис. 2.5. Доля поставленной арматуры для критичных условий эксплуатации в проекте нефтехимического завода в Китае.

а) — по количеству; б) — по стоимости

Поэтому имеет смысл выявить их как можно раньше. Если выделить немного больше времени на их тщательный выбор, то это может сэкономить во много раз больше средств, чем нести затраты при устранении неполадок во время эксплуатации.

Эта проблема рождает ряд задач, решение которых позволит резко сократить долю слишком дорогих клапанов без снижения надежности работы технологических линий. Основой этого является анализ проектов и использование сильного программного обеспечения, учитывающего разнообразие возможностей применения арматуры различных классов. К такому программному обеспечению можно отнести программу расчета и выбора клапанов CONVAL компании F.I.R.S.T.Gmbh.

Анализ проектных спецификаций за длительный срок и оценка применяемости клапанов для критических условий эксплуатации показывает, что их использование весьма редко и не всегда их использование оправдано в проектах, где, казалось бы, их роль была бы незаменимой. Еще одним известным фактором является субъективность выбора арматуры поставщиками в зависимости от наработанных связей с субподрядчиками по проекту.

КРИТЕРИЙ KPI

Чтобы устранить проблему субъективности выбора арматуры, и в значительной степени снизить стоимость проектных спецификаций, предлагается использовать метод, учитывающий указанные выше особенности формирования проектных спецификаций.

Суть метода состоит в выборе арматуры с учетом разнообразных условий ее работы на основе ключевых показателей эффективности (KPI). В расчет принимаются все основные факторы, влияющие на надежность, чтобы рассчитать KPI. Есть общие параметры, такие как перепад давления, преобразование энергии, уровень шума, расход на выходе, скорость потока и тип клапана, которые должны быть приняты во внимание, а также такие нежелательные эффекты, как кавитация, вспенивание или дросселирование потока. Свойства жидкости также чрезвычайно важны, поскольку есть, например, большая разница, есть ли у вас насыщенный или влажный пар или перегретый пар; или требуется проверить, насколько близко находится давление на входе к критическому давлению пара.

KPI основан на индексе надежности (Ri), который представляет собой показатель, дающий рейтинг надежности для любой заданной рабочей точки, где установлен клапан. Индекс Ri необходим, чтобы окончательно обработать информацию по процессу, и получить KPI для всех известных условий процесса: нормальная работа (мин, норма, макс), пуск или специальный режим. Ниже поясняется диапазон значений индекса надежности Ri.

Если Ri > 0, система выдает дополнительную информацию о первопричине проблем и подсказывает, как повысить надежность арматуры для заданных эксплуатационных условий.

Смысл расчета заключается в том, чтобы при анализе применимости арматуры, имея только условия процесса, рассчитать KPI для оценки надежности клапана в заданных сценариях. Эти сценарии должны охватывать весь спектр технологических операций по процессу. При расчете нужно получить процессные данные для клапанов и определить KPI для всех режимов работы. Единственное, в чем нужно убедиться, это то, что будет точно выбран клапан с KPI > 0,1.

После того, как информация была сопоставлена со структурой технологических данных EPC контрактора, может быть проведен анализ. Затем рассматриваются различные вопросы:

— Подходят ли типы клапанов, номинальные диаметры и пр., указанные EPC контрактором для этой задачи?

— Какие позиции (теги) могут вызвать проблемы?

— Каковы критические участки применений?

— Какие клапаны должны быть подробно рассмотрены и детализированы на ранней стадии?

— Какие из них можно изготавливать уже на бюджетной стадии?

Результаты типичного первого прогона спецификации показаны на рисунке 2.6.

Рис.2.6. Окно анализа арматурной спецификации крупного проекта в программе CONVAL

Из рис.2.6. видно, что 28 % рассчитанных клапанов не могут быть поставлены по ряду причин. Сразу понятно, где необходима дальнейшая консультация. Благодаря классификации по категориям надежности (Ri), можно сразу увидеть, что 73% всех рассчитанных клапанов могут быть указаны в бюджете без каких-либо проблем в соответствии со спецификацией EPC контрактора.

Метод KPI может быть использован для быстрого обнаружения критичных участков с действительно тяжелыми условиями работы арматуры из большого набора позиций спецификации в крупномасштабных проектах. Кроме того, это легко позволяет прогнозировать влияние изменения условий процесса, что также не редкость при пуске и вводе технологических линий в эксплуатацию. Это также, наконец, позволяет доказать подходят ли все выбранные клапаны в проекте для применения в данном процессе, исходя из их описания, каталожных данных и данных эксплуатации. При этом список вариантов использования можно легко расширить до сценариев ситуаций на действующем предприятии (устранение неполадок, реконструкция, расшивка узких мест).

Хотя KPI кажется простым критерием, однако, при выполнении проектов, следующих описанному подходу, есть много различных аспектов и проблем, делающих практическое применение KPI сложной задачей. Они могут быть как ожидаемые, так и неожиданные.

В реальных проектах данные по процессу получают непосредственно из средств, используемых при проектировании технологических процессов, контрольно-измерительных приборов и материалов поставщиков арматуры, как правило, в форматах Excel или XML. Но наиболее частой проблемой оказывается, что информация не соответствует действительности. Важные данные для критических участков, т.е. особые случаи обычно обнаруживаются как несоответствия и нестыковки, как замечания и комментарии к пояснительным запискам проектов. Это, в основном, неструктурированная информация, которую нелегко интерпретировать и, тем более, формализовать для перевода в рассчитываемые показатели.

Данные по трудностям, возникающим при пуске, вспенивании, дегазации и продувке, наиболее часто указываются в примечаниях. При этом они не переводятся в форму спецификаций, и далее не находят отражения в предложениях поставщиков арматуры.

Решением является выделение этих важных данных отдельно от основной спецификации при разработке процесса, что позволяет обеспечивать завершенность и надежность расчетов, и их корректировки, и, соответственно, выбранного инструментария и арматуры.

Когда, наконец, все данные импортируются с помощью адаптера (средств ПО, позволяющих импортировать данные процесса, в спецификацию, а также расчеты поставщиков), дальнейшие проблемы значительно снижаются.

Обсуждая результаты, можно столкнуться с тем, что не все вовлеченные стороны имеют один и тот же уровень понимания и знаний о проблеме. Когда речь заходит, например, о прогнозировании шума (производимый шум может быть индикатором для проблем надежности), необходимо использовать самые последние стандарты для того чтобы предсказать шум в жидкости, газе и при применении пара. Однако поставщики или EPC контракторы зачастую могут использовать ориентировочные расчеты или устаревшие стандарты.

Также проблемы может вызывать интерпретация полученного KPI. Например, при выводе KPI необходимо рассматривать скорость потока на выходе (на фланце выхода клапана), тогда как некоторые поставщики арматуры относят скорость к диаметру трубы на выходе, игнорируя сужения соединительных деталей трубопроводов. Также они могут не учитывать несоответствие правил, применяемых к ограничениям скорости для газа и пара. Алгоритм KPI имеет значение 0.3 М (М — значение скорости звука данной среды) в виде первой критической точки, тогда как некоторые EPC контракторы используют значение 0.5 М.

Также полнота и доступность данных об арматуре производителя имеют решающее значение для хороших результатов расчета. Получение самых последних данных для факторов клапана, таких как xFz (поведение при кавитации), F_L² (дросселирование потока для жидкостей) или х_T (дросселированный поток для газов и пара) является проблемой само по себе.

В некоторых редких случаях KPI неприменим. Это случаи, когда клапан был сконструирован как специальный, и не мог быть смоделирован по имеющимся стандартам, или имеется недостаточно информации, или информация о нем не была раскрыта поставщиком для его расчета должным образом.

Кроме технических вопросов на первый план выступает проблема, общая для всех проектов — коммуникация и координация в общем процессе инжиниринга. У вас есть, по крайней мере, три стороны, которые выполняют проект. Как правило, все стороны имеют свои интересы и не привыкли использовать в разработке проекта и технологической схемы процесс, позволяющий использовать KPI в качестве центрального элемента управления качеством (Рис. 2.7).

Рис.2.7. KPI, как центральное звено управления выбором регулирующих клапанов.

Заметим, что такая ситуация наиболее распространена, и ее невозможно предотвратить по объективным причинам.

Можно сказать, что отсутствует доказанная передовая практика обеспечения качества в расчете диаметров арматуры и выборе регулирующей арматуры для критических участков технологии в крупномасштабных проектах. Наиболее часто встречаются ситуации, когда данные уже после расчета все еще изменялись, в то время как клапан был уже заказан. Проблемой также является отсутствие общего языка данных для проработки спецификации и выбора определенных данных.

Но если удается обнаружить такие случаи, то лучше проверить влияние на расчет и выбор неудовлетворительного клапана, и принять меры к перерасчету арматуры, если это необходимо, вместо того, чтобы столкнуться с проблемами во время пуска. Тогда Вы делаете следующий шаг к более высокому качеству инжиниринга.

Расчет коэффициента затрат (BCR), при сравнении стоимости, охвата и экономии от обычной процедуры контроля качества (обычно осуществляемого собственником или оператором предприятия) со стоимостью, охватом и потенциальной экономией, даваемой при использовании KPI, основанным на качественном контроле, показывает, что достигается типичный BCR в диапазоне от 30 до 100 (даже не принимая в расчет потери производства).

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА KPI

Общий алгоритм расчета KPI показан ниже. В качестве исходных данных принимается спецификация арматуры проекта.

Алгоритм расчета KPI

1. Разработка критериев

2. «Прогон» спецификации

3. Определение клапанов, удовлетворяющим стандартам и критериям надежности

4. Выделение критических участков регулирования

5. Выделение проблемных и специальных участков в отдельную спецификацию

6. Устранение проблем, связанных с критическими условиями регулирования.

На основании полученных данных по расчету KPI формируется общее представление о качестве проектной спецификации и дорабатываются сложные участки до достаточного уровня регулирования. Общая схема проведения анализа по алгоритму представлена на рис.2.8.

Рис. 2.8. Алгоритм расчета KPI

Уроки, извлеченные из реальных проектов, помогут в дальнейшем сформировать режимы работы арматуры так, чтобы стать более эффективными для будущих проектов. Это приведет к повышению эффективности отдачи от инвестиций в крупномасштабных проектах и стать достаточно привлекательными, чтобы полноценно использовать KPI в качестве центрального элемента контроля качества для калибровки и выбора клапанов.

В заключение следует отметить, что, несмотря на трудности применения ключевых индикаторов эффективности KPI арматуры в крупномасштабных капитальных проектах, связанные с согласованием их с производителями клапанов, EPC контракторами и конечными пользователями, полученные возможные выгоды значительно превысят возможные сложности при внедрении. Насыщая программное обеспечение другими расчетными подпрограммами, такими, например, как подпрограмма расчета энергосбережения арматуры, уже на предварительном этапе можно значительно повысить технико-экономические показатели проектов. По всей видимости, это дело ближайшего будущего.

2.3. Выбор арматуры по критерию качества регулирования

Рабочие точки являются частью статической характеристики системы

Статическая характеристика системы означает, что основные технологические данные управляемой системы (такие как давление, расход, температура и свойства жидкости) не изменяются при работе регулирующего клапана. Она характеризуется перепадом давления Δp, пропорциональным по отношению к расходу q².

В динамических системах задействованы и другие управляющие устройства, например насос с областями оптимальных динамических характеристик. Также динамические системы часто встречаются в системах антипомпажной защиты.

Характеристики могут быть рассчитаны только в том случае, если заданы, хотя бы две рабочие точки статической системы.

Системы со статической характеристикой являются наиболее распространенными в технологическом процессе. Термин"статический"означает, что во время воздействия на поток регулирующего клапана основные технологические данные заданных (от 1 до n) рабочих точек, такие как давление, расход и температура, свойства среды, а также резисторы и другие конструктивные элементы, создающие гидравлическое сопротивление регулируемой системы (т. е. потери давления вверх и вниз по потоку от регулирующего клапана в заданных рабочих точках), не изменяются, или только незначительно изменяются из-за загрязнения или влияния других управляющих устройств. Так обстоит дело, например, с нерегулируемой характеристикой насоса.

Соединение кривых давления между рабочими точками осуществляется по гидравлическому соотношению Δp пропорционально q², которое можно рассматривать как полезное приближение даже при не турбулентном течении или при высоких перепадах давлений сжимаемых сред. Сами рабочие точки также учитывают истинное состояние потока ламинарной жидкости или сжимаемых газов и паров.

Большое значение для характеристики статической системы имеет логическая корреляция кривых входного и выходного давлений от q_min до q_norm и q_max.

Примеры частых ошибок планирования при указании рабочих точек статических"нелогичных"характеристик показаны ниже:

Пример 1: давление на входе 8 бар при q_max требует расчета новой характеристики системы с дополнительным насосом. Данные по примеру приведены в табл. 2.1.

Табл.2.1. Данные по примеру 1.

На рис. 2.9. представлены результаты расчета.

Рис. 2.9. Результаты расчета в программе CONVAL

Пример 2: Давление за клапаном (ниже по потоку), равное 4,5 бар, было принято за постоянное для показанного увеличения q_max. Это не кажется"логичным", так как оно должно быть увеличено по правилу:"Δp пропорционально q²". Регулирующий клапан спроектирован слишком маленьким из-за неправильного предположения (отсутствует расчет перепада давления в технологическом процессе). Плановые показатели не достигнуты.

Табл. 2.2. Данные по примеру 2.

Результаты расчета представлены на рис. 2.10.

Рис.2.10. Результаты расчета в программе CONVAL

Пример 3: пример авторитета клапана показывает статическую"логическую"характеристику регулирования питательной воды, включающую важную рабочую точку qmin для условий пуска.

Рис. 2.11. Результаты расчета в программе CONVAL

Выбор оптимальной конструкции требует большого опыта, особенно при частых критических пусках с пусковым клапаном в контуре с несколькими регулирующими клапанами с разной пропускной способностью.

При использовании управляемых проточных машин с использованием антипомпажного регулирования карта динамических характеристик или модификация интегрированной системы управления приводит к появлению множества"динамических"характеристических кривых, которые могут быть объединены в 1-n статических характеристик системы для заданной скорости. При этом оптимальный выбор клапана и соблюдение требований безопасности требуют инженерного опыта. Здесь имеет смысл выбрать данные для расчета min. значение Cvs с наименьшим количеством и максимальным перепадом давления и максимальное значение Cv (точка 1 на рис.2.10) с данными наибольшего количества и с минимальным перепадом давления (точка 3 на рис.2.10). Для расчета максимального уровня звукового давления требуется рабочая точка, соответствующая максимальной мощности P [кВт], т. е. максимум Δp x q (точка 2 на рис.2.10).

Рис. 2.12. Расчет звукового давления по программе CONVAL

Две красные линии — это заданные точки для антипомпажного регулирования.

Три синие линии, показывающие три важные рабочие точки для расчета клапанов,

которые расположены слева направо:

1: мин. Cv = 63,6 при макс. скорости регулятора

2: макс. Cv = 231,0 Ат мин. скорости регулятора

3: макс. SPL = 118 дБ (А) при макс. скорости регулятора

В случае высоких динамических характеристических кривых системы, расчет характеристики регулирующего клапана невозможен. Это часто бывает при управлении большими горелочными системами (управление горением в печах). Если в результате динамического процесса происходит слишком много изменений в параметрах вещества, то для данных каждой проточной линии необходимо рассчитать индивидуальные значения характеристик клапанов и выбрать один (или несколько) клапанов в режиме раздельного диапазона регулирования, чтобы оптимально охватить рабочие диапазоны. Необходимые пары давления и расхода должны быть выбраны аналогично примеру 2.

Авторитет клапана (Δp/Δp₀) — v_a

Авторитет клапана (valve authority) клапана va, рассчитываемый как v_a = Δp/Δp₀, является мерой доступного расхода давления на клапане или по-другому — уровнем срабатывания (расхода) напора, подаваемого на клапан. Далее мы будем использовать сложившийся термин"Авторитет клапана".

Определение

Авторитет клапана — это доступный перепад давления во всем рабочем диапазоне. Это отношение перепада давления клапана в данной рабочей точке, деленное на перепад давления клапана при минимальном контролируемом расходе. Самое высокое значение находится в полностью открытом положении клапана Δp₁₀₀/Δp₀. Это данность динамики гидравлической системы. Неадекватное управление клапаном отрицательно сказывается на способности к регулированию. Авторитет клапана — один из самых важных параметров способности к регулированию, который нужно соблюдать.

Правила проектирования и расчета

Выбор регулирующего клапана должен основываться на расчетном расходе с соответствующими технологическими данными.

Если не указано иное, то должно применяться следующее:

* Клапан должен быть рассчитан на 110% расчетного расхода Q_op1, чтобы обеспечить возможность регулирования при Q_op1.

• Расход через полностью открытый регулирующий клапан Q₁₀₀ должен быть равен или превышать максимальный контролируемый расход.

• Чтобы избежать чрезмерных колебаний коэффициента усиления контура, показатель авторитета регулирующего клапана при расчетных условиях v _a, _op1 должен быть больше 0,27.

Номинальное значение пропускной способности Cv клапана не должно быть слишком большим, чтобы избежать работы клапана в режиме"открыто-закрыто".

Для того чтобы регулирующие элементы действительно могли управлять в рабочей точке, проектировщики установок должны учитывать требования к перепаду давления клапанов. Регулирующий клапан может вмешиваться в процесс только в том случае, если он обладает достаточным значением авторитета:

• v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ = 1

Высший авторитет. Полный перепад давления срабатывается на клапане. Отсутствие падения в характеристике насоса, отсутствие потерь давления в трубе. Это, однако, возможно только теоретически.

• 1 > v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0.3

Хороший авторитет, также с линейными модифицированными характеристиками клапанов. Такая ситуация тоже встречается сравнительно редко.

• 0,3 > v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0,1

Адекватный авторитет клапана путем настроек характеристики клапана в направлении равнопроцентной характеристики. Это наиболее распространенный вариант, встречающийся в реальных системах.

• 0,1 > v_a = Δp₁₀₀/Δp₀ > 0,0

Ограниченный авторитет клапана с потерей качества регулирования. Распространенными причинами являются затраты и временные ограничения при проектировании установки.

Рациональная конструкция установки, которая адекватно учитывает требования к перепаду давления регулирующих элементов, необходима для достижения максимального качества регулирования в рабочей точке путем выбора оптимального значения Cv100.

Графическая интерпретация

Низкая способность к регулированию клапана

Красная область под кривой параметра авторитета клапана предупреждает о проблемах регулирования при максимальном расходе в случае:

• низкий запас расхода a: Q_op1 > 0,9 Q ₁₀₀

• низкий авторитет клапана v _a: v _{a, op1} < 0.23

В этом случае запас расхода и / или авторитет клапана слишком малы. Запас расхода может быть улучшен с помощью клапана с более высоким коэффициентом расхода. Улучшение работы клапанов требует изменения соотношения давлений Δp в общей гидравлической системе установки.

Рис.2.13. Определение регулирующей способности в программе CONVAL

Вывод значений

Вывод значений может быть осуществлен в виде таблицы. Таблица показывает числовые значения на графике в зависимости от различной степени открытия клапанов: h = 5, 20, 40… 100%. График показан в программе Conval может представлять любое открытие с шагом 1%.

В случае жидкостей в таблице указаны диапазоны зарождающейся кавитации, дросселируемого потока и вскипания, а также недопустимые скорости на выходе из клапана, возникающие в сочетании с кавитацией.

Конец ознакомительного фрагмента.