Методика уточнения типоразмера регулирующего клапана в системах автоматического регулирования

Предложена методика выбора клапанов в контурах регулирования АСУ ТП с учетом вида статической характеристики канала регулирования. Методика учитывает свойства, как первичных измерительных преобразователей, так и исполнительных устройств, входящих в контура регулирования

Ключевые слова: клапан, регулирование, интегральная характеристика изменчивости, статическая характеристика системы.

В статье [1] предложена технология выбора регулирующего клапана на основе анализа статической характеристики объекта регулирования, где показано, что при выборе типоразмера клапана по уравнениям расходных и пропуск­ных характеристик, работа клапана рассматривается отдельно от работы системы регулирования и это является основным недостатком подобного подхода. Как известно, расходная характеристика клапана учитывает изменение расхода среды через клапан от перемещения затвора и привязана к регулирующему органу. При эксплуатации технологического объекта нас интере­суют, в первую очередь, результаты работы системы автоматического регулирования (САР) с выбранным клапаном, в частности, стати­ческая характеристика канала регулирования. Причем, это характеристика как собственно объекта, так и измерительного преобразователя и исполнительного устройства, то есть расширенного объекта регулирования.

Таким образом поведение объекта с тем или иным регулирующим органом должно определять выбор типоразмера клапана.

Для большинства объектов анализ именно статической характеристики САР, определяющей поведение объекта, позволяет уточнить типоразмер клапана. Проиллюстрируем это простейшим примером.

Имеем две емкости разного диаметра с одинаковыми уровнями жидкости в них (рисунок 1). При одном и том же отклонении (∆L) регулируемого параметра от заданного значения (Lо) реакция САР определяется емкостью объекта и регулируемый параметр (уровень – L) будет восстанавливаться за одно и тоже время для этих двух объектов клапанами (LCV) разных типоразмеров, определяющих разные величины расходов при прочих равных условиях. То есть, чтобы статические характеристики L=f(F) для двух систем имели одинаковый вид, необходимо выбрать клапаны с учетом основного параметра объекта – его емкости.

При реализации стандартной процедуры выбора типоразмера клапана проектировщику известны следующие параметры:

диапазон расхода (как правило, максимально возможное значение расхода);

допустимый перепад давления на клапане;

известный регулируемый параметр (давление, температура или уровень, реже, расход или концентрация), диапазон изменения регулируемой величины и тип измерительного преобразователя.

При этом по результатам расчета может подходить до трех и более типоразмеров клапанов выбранного типа.

Так, например, для запорно-регулирующих клапанов односедельных фланцевых для одного из газовых потоков из ряда типоразмеров 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125 для одного и того же К_v подходит четыре типоразмера клапана, а для другого типа клапанов могут оказаться подходящими три типоразмера. То есть, практически задача сводится к выбору из 3-4-х заранее определенных по расходным характеристикам типоразмеров клапанов одного клапана такого, чтобы САР производила регулирование требуемого параметра объекта оптимальным образом.

Для оценки применимости того или иного типоразмера клапана в [1] предложено использовать инте­гральную характеристику изменчивости (ИХИ).­ ИХИ является количественной оценкой информа­ции, содержащейся в детерминированном процессе. В дискретном виде ИХИ определяется следующим образом:

D = , где .

Здесь ΔF = F_max- F_min – требуемый диапазон регулирования по расходу,

который должен обеспечивать клапан.

f_i+1- f_i – наименьшее воздействие на расход, которое может

«почувствовать» объект регулирования при данном пороге

различимости устройства регистрации регулируемой величины.

Процедура нахождения величины D подробно описана в [1], легко формализуется и достаточно просто реализуется программным путем. Принцип нахождения ясен из рисунка 2.

Статическая характеристика САР (на рисунке линии 1, 2 или 3) квантуется по оси ординат с шагом, равным порогу различимости (ξ_Υ) средства измерения регулируемой величины. При этом для каждого значения регулируе­мой величины находится соответствующее значение расхода и вычисляются величины π_i и D. Очевидно, что ИХИ учитывает свойства рас­ширенной передаточной характеристики объекта регулирования, пороги средств измерения регулируемых величин и устанавливает требуемый порог и диапазон регулирования клапана.

За базовый уровень в [1] принята характеристика с нулевым уровнем информационной насыщен­ности Y₁, что позволяет находить величину D = Y - Y₁, которая представляет собой меру отличия двух процессов и может служить характеристикой рассматриваемой системы регулирования.

В качестве базовой ста­тической характеристики САР с нулевым уровнем информационной насыщен­ности принимаем САР, для которой искомый клапан с заданным диапазоном регулирования (F_max- F_min) при полном ходе штока (то есть при изменении расхода с Fmin до Fmax) приводит к изменению регулируемой величи­ны на ее порог различимости. В этом случае уравнение базовой статической характеристики имеет вид:

ξ_y

Y₁= f .

F_max - F_min

К сожалению, проектировщику зачастую неизвестна статическая характеристика y = f(F) канала регулирования, хотя вид ее он представляет, зная тип регулируемой величины и емкость объекта. На практике САР работает в достаточно узком диапазоне регулирования. Это характерно для подавляющего числа случаев и можно без большой погрешности принять, что статическая характеристика в диа­пазоне регулирования линейна. Если говорить именно об узком диапазоне, то основным влияющим фактором здесь является тангенс угла наклона характеристики в диапазоне регулирования, то есть чувствительность регулируемого параметра объекта к изменению расхода.

На рисунке 3 и в таблице 1 приведены зависимости величины D от порога различимости для статических характеристик САР с различными значениями тангенса угла наклона, то есть с разными значениями чувствительности регулируемого параметра к расходу. Значения тангенсов от 0,2 до 3. При расчете использовалось представление статических характеристик методом аппроксимации кубическим сплайном.

В таблице: ξ_y – порог различимости регулируемого параметра в долях единицы; tg α – тангенс угла наклона статической характеристики канала регулирования объекта.

Таблица 1 – Результаты расчета величины D

tgα ξy	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,5	3,0
0,050	4,8	5,9	6,4	6,8	7,1	7,7	8,77
0,075	4,2	5,3	5,8	6,2	6,5	7,1	8,2
0,100	3,8	4,9	5,4	5,8	6,1	6,7	7,8
0,150	3,2	4,3	4,7	5,2	5,5	6,1	7,2
0,200	2,8	3,9	4,4	4,8	5,1	5,7	6,7
0,250	2,4	3,6	4,1	4,5	4,8	5,4	6,4
0,500	1,5	2,6	3,1	3,5	3,8	4,4	5,4
1,000	0,5		2,1	2,3	2,8	3,4	4,4

Рисунок 3 – Зависимости величины D от порога различимости и наклона статической характеристики

Анализ результатов, представленных в таблице 1 и на рисунке 3, позволяет обозначить следующий путь уточнения типоразмера клапана.

В плоскости параметров: Интегральная характеристика изменчивости (D) – наклон статической характеристики канала регулирования (tg α) для различных значений ξ_y, область существования ИХИ можно разделить на четыре подобласти D <3, 3<D<5, 5< D < 7, D>7 (в таблице выделены разным цветом). В зависимости от того, в какую подобласть попадает значение D, рассчитанное для САР по приведенной выше методике, выбирается типоразмер клапана из ряда подходящих клапанов.

При этом следует иметь в виду, что чем чувствительнее объект, тем более тонкую регулировку должен обеспечивать клапан, то есть чем больше D, тем меньший типоразмер клапана следует выбирать.

Так, например, для трубопровода диаметром 150 мм при максимальном расходе углеводородной жидкости 110 м³/час и допустимом перепаде давления на клапане 0,55 МПа расчетыпоказывают, что подходят следующие типоразмеры клеточных клапанов: Ду 150, Ду 125, Ду 100, Ду 80, Ду 65. Если учитывать статическую характеристику САР с тангенсом угла наклона порядка 3,0 и порогом различимости регулируемой величины 0,05, то необходимо выбрать клапан Ду 65.

Из таблицы также следует, что, чем больше порог различимости регулируемой величины (чем “грубее” датчик), тем больший типоразмер клапана следует выбирать. Если в нашем примере используется датчик с ξ_y = 0,5, то наиболее подходящим является клапан Ду 100.

Представляется, что изложенный подход к формализации, в общем-то, интуитивно понятных вещей, может быть полезным для проектировщиков средств автоматизации и позволит реализовать более строгий подход к уточнению типоразмера клапана из ряда подходящих по расчетам клапанов и оптимизировать работу локальных систем регулирования в АСУ ТП.