Как электроприводы регулирующей арматуры могут устранить проблемы, связанные с использованием сжатого воздуха в качестве источника энергии.
Сегодня благодаря современным технологическим достижениям пользователи регулирующей арматуры могут избежать большинства проблем, связанных с неэффективностью использования сжатого воздуха в качестве источника энергии.
Новое решение использует только электрическую энергию и полностью устраняет зависимость от сжатого воздуха. Оно целесообразно и экономически эффективно в большинстве областей применения регулирующей арматуры, в таких сферах, как энергетика, химия и нефтехимия, а также в большинстве других отраслей промышленности.
Для каких-то технологических процессов электроприводы регулирующей арматуры нового поколения могут и не подходить, но во многих случаях они идеальны — особенно там, где пользователь сталкивается с проблемами замерзания импульсных линий, потери точности регулирования и т.п.
Поэтому современным инженерам по эксплуатации арматуры имеет смысл обратить серьезное внимание на те выгоды, которые несут в себе особенности конструкции электроприводов нового поколения.
Во многих случаях технологические преимущества этого оборудования могут значительно увеличить выход продукции и эффективность процесса в сочетании со снижением стоимости на техническое обслуживание и операционные расходы.
Управление регулирующей арматурой: краткая история
Прежде чем обсуждать современные технологии, полезно понять, как они эволюционировали к их нынешнему состоянию. Несколько десятилетий назад основным инструментом управления регулирующей арматурой было изменение давления воздуха, подаваемого в ее привод. Обычно это давление варьировалось от 3 до 15 psi. Закрытое положение арматуры соответствовало 3 psi, а открытое ― 15 psi.
Таков был международный стандарт для регулирующей арматуры с возвратно-поступательным движением штока (а в дальнейшем и арматуры поворотного типа), степень открытия которой определялась балансировкой давления воздуха с усилием возвратной пружины. Чем выше давление, тем сильнее сжимается пружина и тем больше перемещение штока. Если давление снижается до 3 psi, пружина возвращает шток арматуры в исходное положение. Это простое управление положением использовалось во многих вариантах управления процессами на заводах. Это было основное решение, предложенное производителями регулирующей арматуры совместно с поставщиками систем управления.
Проще говоря, сжатый воздух выступал в качестве энергии для перемещения и в качестве управляющего сигнала. Требуемое положение достигалось изменением подаваемого давления, и всеми заводами управлял сжатый воздух, передаваемый по медным трубкам с небольшим диаметром. К задней панели пульта управления сходилось множество таких труб, аккуратно собранных мастером систем управления в тщательно уложенные ровные ряды.
Однако с появлением компьютеров и программируемых логических контроллеров (ПЛК) дни управляющих сигналов 3–15 psi были сочтены.
Вскоре они были заменены электрическими сигналами, передаваемыми по медным проводам со скоростью тока, а не звука. Это была революция в технологии управления, принесшая значительную экономию средств на установку, а также существенное улучшение возможностей управления. Еще одна серьезная выгода данного изменения в технологии состояла в исключении трудоемкого обслуживания пневматических систем управления. Фильтры, регуляторы, масленки и множество пилотных клапанов были заменены ПЛК и управляемыми ими конечными устройствами. Взамен сигнала давления 3–15 psi общим стандартом стал токовый сигнал 4–20 мА.
Впрочем, несмотря на это, источником энергии для перемещения большинства регулирующих клапанов по-прежнему оставался сжатый воздух. Он может использоваться для передачи энергии из одного места в другое при дистанционном управлении регулирующей арматурой и другим оборудованием.
В ходе развития пневматических систем стандартное давление сжатого воздуха выросло с 3–15 psi до 80 psi. Это позволило развивать большие усилия меньшими по размеру
поршнями или диафрагмами. В результате пневматические пружинно-мембранные и поршневые приводы на многие годы стали базовым стандартом для управления положением регулирующей арматуры.
Метод, которым управляющий сигнал 4–20 мА вызывает себе на замену высокое давление, действующее на диафрагму, называется «Позиционер». Обычный пневматический позиционер из устройства, имеющего лишь одну базовую функцию управления высоким давлением воздуха с помощью управляющего сигнала низкого давления, превратился теперь в «Смарт-позиционер», который уже не только направляет сжатый воздух в привод арматуры, но и может собирать информацию по требуемому давлению воздуха для различных положений арматуры, обеспечивая диагностику, данные которой передаются по сигналу 4–20 мА с использованием коммуникационного протокола HART.
Сегодня этот метод управления линейной и поворотной регулирующей арматурой является, по сути, стандартным для всех отраслей промышленности, от добычи нефти и газа и производства электроэнергии до химической, нефтехимической и многих других отраслей.
Почему электропривод может быть лучше
Однако на практике такое сопряжение сжатого воздуха со смарт-позиционером далеко не всегда является лучшим решением. Так же, как электроника в свое время узурпировала технологию управляющего сигнала, электроприводы сейчас вполне могут составить реальную конкуренцию пружинно-мембранным и поршневым конструкциям приводов. Ведь на самом деле в использовании сжатого воздуха в качестве источника энергии существует немало недостатков. И многие годы инженерам-технологам приходилось отыскивать сложные обходные пути для их преодоления.
Значимость этих недостатков разная в зависимости от конкретной ситуации. Но, вообще-то, взять электроэнергию, преобразовать ее в энергию сжатого воздуха, которую за- тем передать через фильтр-регулятор по длинным извилистым трубам в камеру привода, чтобы там высвободить путем расширения — это не самый эффективный способ передачи энергии из одной точки в другую.
Неэффективность процесса сжатия и трение при передаче легко могут привести к потере почти половины поданной энергии. А для сравнения – куда более эффективный способ передачи электрической энергии как таковой, преобразуемой в кинетическую в двигателе, расположенном прямо на регулирующей арматуре. По сути, перенос электродвигателя с компрессора в привод устраняет все промежуточные преобразования энергии, а значит, и все связанные с ними потери. Когда на предприятии большое количество регулирующей арматуры, которая к тому же часто срабатывает, устранение из техпроцессов сжатого воздуха может дать весьма значительный эффект в смысле роста производительности производства и рентабельности предприятия.
Учтем еще, что стабильность предприятия и связанная с ней степень загрузки мощностей — тоже очень важные факторы. Обеспечение воздухом требует постоянной профилактики, дабы была уверенность, что влага, пыль и прочие посторонние вещества не скапливаются в пневматических линиях,грозя забить малые отверстия в смарпозиционерах. Такое дополнительное техническое обслуживание имеет известную стоимость, которую необходимо учитывать при объективной оценке.
Да, большинство технологических процессов протекает в закрытых помещениях, дающих защиту арматуре и управляющим устройствам, но ведь может быть и иначе. Есть немало примеров, когда арматура расположена на открытом воздухе и подвержена воздействию температуры, которая может опуститься ниже точки замерзания воды. И это касается не только предприятий Европы и Северной Америки, но и многих современных заводов Азии, возведенных недавно в Китае, Японии, Корее и в других странах. Отрицательная температура может привести к замерзанию импульсных линий и выходу из строя пневматического привода регулирующей арматуры или контроллера.
Изменчивые погодные условия Новой Англии и требования к точности управления расходом мазута — это серьезный вызов! Персонал предприятия сообщает, что новый электрический привод регулирующей арматуры разрешил проблемы с точностью и техническим обслуживанием, которые были характерны для традиционного пружинно-возвратного пневмопривода.
Эти две фотографии сделаны до и после того, как электрический привод Роторк CVA (справа) заменил традиционный привод (слева) регулирующей арматуры в системе контроля уровня питательной воды подогревателя на крупной электростанции в Аризоне.
Примеры, когда электропривод может стать лучшим решением
На нефтеперерабатывающем заводе в Галифаксе (Новая Шотландия) техникам ежегодно приходится менять импульсные линии, которые замерзают и рвутся. После разрыва трубок некоторыми регулирующими клапанами можно управлять только вручную. Это, конечно же, существенный аргумент в пользу управления процессом с помощью электропривода.
А вот другой пример с электростанции в Нью-Гемпшире ― там недавно заменили все пружинно-мембранные приводы регулирующей арматуры на линиях подачи топлива из-за последствий низкой температуры. Низкая температура негативно влияет не только на привод, но и на вязкость управляемой среды, что приводит к росту трения в седле. В результате управлять арматурой становится очень сложно из-за залипания штока при страгивании, приводящего к «проскакиванию» требуемого положения.
При разработке высокогорных месторождений, например, найденных в Чили и Перу, низкая температура в сочетании с высотой делают производство сжатого воздуха чрезвычайно дорогим. Затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию очень значительны. В таких внешних условиях замерзание воздуховодов ― вечная проблема, влекущая за собой отказы приводов арматуры и снижение выработки.
Есть отдельные случаи, когда сжатый воздух не нужен ни для чего, кроме единственного регулирующего клапана. Но при этом все равно необходим небольшой компрессор в комплекте с воздушной обвязкой, который занимает значительное место, много весит и стоит. Например, существует большое количество компактных бойлеров, для которых необходим регулирующий клапан пара с автоматическим переходом в безопасное положение.
Традиционный метод выполнения такого требования ― это использование пружинно-мембранного привода, где при исчезновении давления или получении сигнала ПАЗ воздух выпускается, чтобы пружина переставила клапан в закрытое или открытое положение, согласно требованиям процесса.
С появлением новой технологии электроприводы стали способны запасать электроэнергию в достаточном объеме, чтобы при потере основного электропитания перевести арматуру в заранее заданное безопасное положение. Более того, поскольку электроприводы обладают большими возможностями контроля, может быть запрограммировано любое положение, в которое привод должен перейти при пропадании питания или управляющего сигнала: и закрытое, и открытое, и любое промежуточное.
Наконец, сжатый воздух — это ведь, как известно, упругая среда. В некоторых автомобилях его даже используют в амортизаторах. А если сжатый воздух работает как пружина, пневматическая регулирующая арматура не всегда обладает требуемой жесткостью, необходимой для точного управления процессом.
Рассмотрим для примера клапан с высоким трением в набивке или шаровой кран с высоким трением в седле. В обоих случаях высокое статическое трение требует высокого давления воздуха для страгивания. Но когда шток начал перемещаться, статическое трение замещается динамическим, которое значительно меньше. Это препятствует падению избыточного давления воздуха. В результате арматура срывается «с места в карьер» и часто в итоге «проскакивает» заданную точку, далее в целях коррекции начинается обратное перемещение ― и в результате возникают колебания вокруг требуемого положения.
У электрического привода эта проблема отсутствует благодаря высокой жесткости и управляемости современных кинематических цепей, и появлению изощренной технологии двух датчиков положения в приводе.
Возможности и преимущества электрических приводов регулирующей арматуры
Электрические приводы регулирующей арматуры позволяют обеспечить превосходные характеристики управления, просты в настройке, они устраняют необходимость в прихотливой пневматике и все связанные с ней проблемы.
Электроприводы доступны в линейном и четвертьоборотном исполнении и могут применяться в самых разных производственных процессах в широком спектре отраслей промышленности, включая энергетику, трубопроводный транспорт, нефтехимию и нефтепереработку, горнодобывающую отрасль и многие другие.
Новые приводы устраняют потребность в дорогостоящем пневматическом оборудовании и легко встраиваются в современные системы управления технологическими процессами, включая те, в которых используются цифровые протоколы связи HART, Profibus и Foundation Fieldbus. Приводы Rotork CV, например, обеспечивают очень высокую точность работы регулирующей арматуры с повторяемостью и точностью позиционирования <0.1 % от хода арматуры. Кроме того, стандартно в приводы встроена технология связи по Bluetooth для быстрой и легкой настройки и ввода в эксплуатацию.
Приводы Rotork CVA не только помогают избавиться от проблем, связанных с пневматикой, но и предоставляют возможности для диагностики, дающие все преимущества технического обслуживания по фактическому состоянию. Например, срок службы набивки клапана может быть более точно соотнесен с суммарным перемещением трущегося о набивку штока. Как только будет достигнут заданный предел перемещения, потребуется техобслуживание, вне зависимости от времени, затраченного на достижение этого предела.
Журнал данных, встроенный в электроприводы Rotork CVA, позволяет записывать суммарное перемещение штока в сальнике и отображать его по цифровой связи или на КПК. Инженер по техническому обслуживанию всегда может предсказать необходимость обслуживания, просмотрев данные по «Общему Пробегу» привода.
Опубликовано в «Вестнике арматурщика» № 6 (19) 2014
