Описанная схема построения области применимости клапана для жидких сред вполне надежно позволяет прогнозировать стабильную работу арматуры при условиях попадания параметров Q/dP внутрь области (рис. 1). Если плотность жидкости мало отличается от плотности воды, в процессе дросселирования отсутствует парообразование (вскипание, кавитация), клапан не заужен относительно трубопровода, то можно утверждать, что предложенный подход оценки применимости клапана допустим.
Регулирующий клапан на конкретную технологическую позицию обычно рассчитывается на строго определенный набор параметров, из которого находятся его главные характеристики – номинальный диметр DN и пропускная способность Cv. Однако нередко возникают ситуации, когда трубопроводное оборудование переставляется с одной позиции на другую или же модернизируется установка, после чего изменяются режимы работы клапана, или арматура возвращается в оборот после ремонта – в общем, появляется необходимость применить имеющийся регулирующий клапан на процессе с такими параметрами, для которых этот клапан не рассчитывался изначально.
В подобном случае надежнее всего обратиться в отдел расчета арматуры компании-производителя, но если это невозможно, то существует простой способ оценки применимости оборудования для нового процесса дросселирования среды в системе координат расход/перепад, когда исходными данными для оценочных расчетов становятся сведения, указанные на шильдике клапана.
В качестве примера рассмотрим сегментные регулирующие клапаны серии 35002 компании «ДС Контролз», известные также под старым названием «Камфлекс». Это достаточно распространенные (выпущено их более 20 000 единиц разных DN) клапаны универсального применения, имеющие пневмопривод с легко изменяемым положением НО/НЗ, без замены привода или дополнительных деталей. Желая применить данный клапан при изменении технологических параметров, необходимо понять, достаточно ли клапану пропускной способности и не превысит ли скорость рабочей среды допустимый безопасный предел. В качестве рабочей среды для простоты будем рассматривать воду, жидкости с плотностью, отличающейся от плотности воды более чем на 10 %, потребуют отдельного рассмотрения, то же относится и к газам. В конечном итоге для любого клапана серии 35002 с известными DN и Cv получается область применимости в координатах расход/перепад (Q/dP), примерный вид которой показан на рис. 1.
График Q(dP) представляет собой верхнюю границу применимости арматуры и соответствует полному открытию клапана. Нижняя граница QL(dP) показывает условную «зону нечувствительности» клапана, когда процент открытия слишком мал и нет предсказуемого регулирования расхода среды. Величина этой зоны зависит от конструкции арматуры и может быть принята для серии 35002 от 5 % до 10 % хода.
Вертикальная прямая dPL отделяет область запредельных рабочих перепадов давления, приводящих к критическим режимам истечения среды. В случае жидкости такие режимы могут соответствовать кавитационным процессам, для газа и пара подобные условия ведут к недопустимо высокому уровню аэродинамического шума. Расположение этой прямой, то есть величина dPL, в общем случае зависит от DN и типа клапана, для серии 35002 значения dPL приведены в таблице 1.
Прямая QV ограничивает максимальный расход среды через клапан, в нашем случае исходя из безопасной скорости жидкости v на выходе из клапана (табл. 1).
Таким образом, построение четырех графиков (рис. 1) дает возможность оценить применимость клапана при некоторых сочетаниях расход/перепад, не производя дополнительных расчетов. По расположению конкретной рабочей точки (Q, dP) внутри области можно представить и процент открытия клапана с этими технологическими параметрами, а именно по расстоянию до верхнего графика Q(dP). Все вышеуказанные рассуждения применимы для процессов, протекающих в докритическом режиме, то есть с отсутствием вскипания среды или сколь-либо существенной кавитацией, а также для рабочих сред, не подвергающих оборудования коррозии или эрозии. Подобные случаи, а также, например, среды двухфазные изначально, требуют более тщательного анализа инженерами отдела расчета арматуры.
Конкретные формулы для расчета пропускной способности, связывающие расход среды Q с рабочим перепадом давления dP и позволяющие выражать их через Cv клапана, можно посмотреть, например, в стандарте IEC 60534-2-1 или в различных руководствах по расчету регулирующих клапанов, выпускаемых производителями арматуры.
Ниже приведен пример построения области применимости для клапана DN50 Cv50 при дросселировании жидкости (вода, t = 20 °С), предельная скорость – 12 м/с (табл. 1). Предполагается, что клапан будет устанавливаться без заужения относительно DN трубопровода, иначе требуется учитывать некоторую коррекцию требуемой Cv, обычно не превышающую 10 %.
График Q(dP) — это полное открытие клапана, для Cv=50 зависимость имеет вид:
Область нечувствительности в данном случае принята равной 10 %, то есть QL(dP) = 0,1 ⋅ Q(dP), предельный перепад давления dPL = 20 бар взят из табл. 1.
Величина QV определяется по формуле:
где А – площадь сечения потока в мм2. Несмотря на размерность скорости в м/с, коэффициент в знаменателе позволяет получить QV в м3/ч без дополнительных переводов размерностей величин. В нашем случае вполне надежной оценкой А являются площади сечения стальных трубопроводов (табл. 2).
Как показывают проверочные расчеты, внутри области, ограниченной графиками Q(dP), QL(dP), QV и dPL, гидродинамический шум не превышает 85 дБА, следовательно, применение клапана на любом сочетании параметров Q/dP, входящих в нее, вполне надежно.
Отдельного и относительно подробного рассмотрения требуют типичные случаи непопадания рабочей точки в область применимости конкретного имеющегося клапана (рис. 3).
Положение точек 1–4 соответствует формальному выбору различных типов регулирующей арматуры:
• точка 1 – значительные расходы при малых перепадах давления приводят к целесообразности выбора дисковых затворов или иной поворотной арматуры для подобных условий работы (шаровых регулирующих кранов, поворотных клапанов с V-образным затвором);
• точка 2 сочетает большие расходы и существенные рабочие перепады, для подобных процессов, вероятно, оптимально применение клеточных или двухседельных клапанов;
• в точке 3 главную роль играют большие перепады давления, это обуславливает применение антикавитационных затворов или специальной антикавитационной арматуры;
• точка 4, в которой расходы среды относительно невелики, требует применения клапанов микрорасхода.
Все перечисленные случаи показывают, что разнообразие технологических процессов, под которым в нашем случае понимается главным образом разброс параметров Q/dP, требует применения совершенно различных типов арматуры вследствие отличия необходимой пропускной способности (из-за расхода среды) или модификаций ее затворов (из-за перепада давления).
Совсем иначе обстоит дело в случае сжимаемых технологических сред – газов и паров. Расчетные формулы пропускной способности в докритическом режиме течения газов содержат, кроме рабочего перепада dP, еще и давление на входе P . Таким образом, построение области применимости клапана в координатах Q/dP возможно лишь при фиксированном P , тогда правая граница области dP на рис. 1 формально будет менее или равна P . При критическом истечении газа величина требуемой пропускной способности зависит только от P , однако подобное дросселирование газа вряд ли представляет интерес из-за ограниченной применимости поворотной арматуры, на примере которой рассматривается построение области применимости, в подобных условиях.
В заключение стоит отметить особенности построения области применимости для любой арматуры любого производителя. Сложность в том, что, кроме данных о клапане с шильдика (DN, Cv), необходимы ограничения по допустимым скоростям среды и перепадам давления (табл. 1). Эти значения отличаются для разных типов арматуры и, разумеется, не совпадают даже для схожих типов клапанов разных производителей. В частности, для арматуры производства «ДС Контролз» необходимую информацию можно почерпнуть из каталогов на регулирующие клапаны, в том числе старых изданий. Указанные в табл. 1 значения соответствуют клапанам серии 35002, выпущенным до мая 2022 года. Еще одним тонким моментом в определении применимости клапана при изменении параметров процесса является возможность обеспечения требуемых усилий пневматическим приводом и учет направления течения среды в клапане – на открытие или на закрытие. Особенно тщательно стоит исследовать этот вопрос при изменении положения безопасности клапана НО/НЗ. Для арматуры «ДС Контролз» в упомянутых уже каталогах любого года издания можно проверить требуемые усилия, после чего делать вывод о целесообразности использования арматуры.
