В настоящее время арматура вращательного действия получила широкое распространение во многих производственных процессах. Арматура с поворотным затвором по сравнению с другими видами арматуры имеет высокую пропускную способность. Она отличается небольшими габаритными размерами и более компактной конструкцией. Это во многом соответствует требованиям современной ЦБП. Отрасль ЦБП, являясь энергоемкой, требует разработки и внедрения арматуры с высокой пропускной способностью и небольшим перепадом давления при прохождении через арматуру. Часто задачей является установка регулирующей арматуры, имеющей плотную отсечку, что позволяет заменить две единицы регулирующей и запорной арматуры на одну, при этом существенно снижаются затраты. Надежность сальникового устройства поворотной арматуры при условиях, характерных для основных процессов ЦБП, во много раз выше, чем у клапана с линейным перемещением регулирующего органа.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫБОР АРМАТУРЫ
Факторы, вызванные ростом производственных мощностей предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, существенно влияют на номенклатуру применяемой арматуры. К этим факторам относят:
- применение более концентрированных суспензий целлюлозы (технология средней концентрации МС);
- замена химических методов обработки волокна на другие. Большая доля механического измельчения древесной массы (ТМР/СТМР и PGW);
- возрастающее применение вторичного волокна;
- возрастающий уровень автоматизации;
- применение более крупных аппаратов;
- уменьшение времени на проектирование, что сокращает срок поставки;
- необходимость увеличения времени безостановочной работы оборудования;
- увеличение периодов между остановками на плановое техническое обслуживание.
Необходимость увеличения степени использования мощностей производства требует применения арматуры с высокими эксплуатационными показателями. Пока экономические факторы будут считаться вторичными по отношению к безопасности и надежности функционирования, цены будут определяться по времени эксплуатации с учетом затрат на поддержание технических характеристик, обеспечение надежности и стоимости ТО. Так, многие предприятия ЦБП используют подход "одного клапана": если один и тот же клапан будет применяться для нескольких технологических процессов, то появится возможность снизить производственные запасы на складах. При этом замена арматуры не должна вызывать особых затруднений. Чаще всего это делается с целью унификации, а также при потере работоспособности и надежности достаточно дорогой арматуры на критических участках производства. Тогда ее переводят на менее критичные участки.
ВЫБОР АРМАТУРЫДЛЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ЗАВОДОВ
Современные непрерывные системы варки, промывки и отбелки автоматизированы уже с начальной стадии технологии. Поворотная регулирующая и запорная арматура устанавливается на большинство установок производства целлюлозы.
Применение полнопроходного фланцевого шарового крана, благодаря его высокой пропускной способности и хорошему сопротивлению напряжениям в трубопроводе, имеет огромное преимущество для варочного котла. Если транспортируемая среда содержит окалину, сучки или другие подобные включения, обычно используют шаровые краны с металлическими седлами, рис. 2.
Рис. 2. Полнопроходный фланцевый шаровой кран
Одним из критериев выбора арматуры является концентрация целлюлозы. При концентрации целлюлозы > 5 % в качестве регулирующей и запорной арматуры используют полнопроходные шаровые краны.
Шаровые краны сегментного типа, рис.3, в регулирующем исполнении имеют оптимальную конструкцию регулирующего элемента, что позволяет избежать осаждения и обезвоживания целлюлозной массы.
Рис. 3. Сегментный шаровой кран
Специального внимания требует технология подачи и регулирования массы средней концентрации (МС) в связи с ее низкой текучестью. Для ее перекачки и регулирования разрабатываются специальные шаровые и сегментные краны, обеспечивающие разбавление в процессе регулирования.
При выборе арматуры, когда приходится работать с концентрированным черным щелоком, должен учитываться его состав. Черный щелок в основном содержит побочные растворы процесса. Это смесь лигнина, использованных реактивов и воды. Потоки черного щелока перед выпариванием можно регулировать поворотными дисковыми затворами с двойным эксцентриситетом. Щелок, поступающий из секции выпарки, обычно содержит до 70% твердой фазы, включая смесь различных солей и серу. Для этого случая чаще всего применяют полнопроходный шаровой кран.
ВЫБОР АРМАТУРЫДЛЯ БУМАЖНЫХ ФАБРИК
На бумажных фабриках используют разнообразные типы арматуры. Для целей отсечки на линии подачи в целлюлозном производстве часто применяют простую и недорогую шиберную задвижку. Она пригодна для производств с высокой степенью загрязненности (например, макулатура). Недостатками являются большие размеры выдвижного шибера и ограничения по давлению. Кроме того, эластичное седло, применяемое в этих задвижках, имеет низкую работоспособность.
Для целей регулирования используют сегментный шаровой кран с широким диапазоном коэффициента пропускной способности (Кv).
Дисковый затвор с двойным эксцентриситетом с поворотом диска на 90° обеспечивает хорошие характеристики регулирования для работы на средних значениях расхода, рис.4. Достоинства дисковых затворов - достаточная плотность при высоких давлениях и температурах среды и долговечность.
Рис. 4. Двухэксцентриковый дисковый затвор
Применение дисковых затворов и сегментных шаровых кранов экономически выгодно, так как приводы и позиционеры одного и того же типа могут быть использованы как для первого, так и для второго случая. Еще одним типом арматуры, используемой на бумажных фабриках, является малогабаритный ручной отсечной шаровой кран.
АРМАТУРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Серьезной задачей на целлюлозных предприятиях является возможность автоматизации процесса, особенно, в варочных котлах периодического действия. К примеру, при операциях по загрузке используют шаровые крышки варочных котлов. Они включают систему безопасности для предотвращения открытия, которая генерирует электрические сигналы, указывающие положение крышки.
Обслуживание линии выдувки в варочных котлахпериодического действия является трудоемким процессом. При открытии арматуры высвобождается энергия, создающая высокие скорости потока и, в некоторых случаях, сильные ударные нагрузки на линии выдувки. Ударные нагрузки в трубопроводах на линии выдувки приводят к высоким колебаниям (импульсам) в шаровых кранах. В связи с этим активно происходит внедрение устойчивых к износу и ударным нагрузкам полнопроходных фланцевых шаровых кранов.
Используемая регулирующая арматура должна обеспечивать возможность выбора для регулирования расходов жидкостей. Стандартные шаровые краны и дисковые затворы пригодны для операций загрузки и циркуляции. Дисковые затворы могут быть использованы при содержании сухих веществ до 60 %. Для концентрированных черных щелоков после выпарки рекомендуется применение шаровых кранов. Для осаждающихся и комкующихся жидкостей, таких как белый и зеленый щелок, требуется использовать седло специальной конструкции, например, барьерное уплотнение/запирающее седло, которое будет способно устранить забивание трубопроводов.
Характерным для применения на целлюлозных линиях является применение дисковых затворов, которые прекрасно зарекомендовали себя в отсечном и даже в регулирующем исполнении. Дисковые затворы обычно применяют на вакуумных линиях и линиях циркуляции жидкостей, а также в отделениях каустизации при сильной эрозии.
Особенным участком для регулирования является участок шламов. Шлам - это фаза, отделяемая от белого щелока в отстойнике. Регулирование потока суспензии шлама является наиболее опасным участком. Здесь могут быть применены сегментные шаровые краны со специальными седлами. Некоторые конструкции кранов, разработанные специально для опасных участков, также рекомендуют применять для регулирования давления в рафинерах ТММ.
Для обслуживания линий хлора в отбельных цехах используют сегментные шаровые краны, которые изготавливают из титана и хастеллоя. Применение арматуры в отбельных цехах включает участки, где требуется применение специальных сплавов для регулирования содержания гипохлорита или диоксида хлора. Специальными видами арматуры является регулирующая арматура для перекачки массы средней и высокой концентрации (до 18%), которая имеет минимальную текучесть.
АРМАТУРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИ
Процесс изготовления бумаги включает несколько автоматизированных систем, регулирующих концентрацию бумажной массы. Специальные датчики и преобразователи подают сигналы для управления регулирующей арматурой разбавления водой. Для этих систем регулирования используют шаровые краны, наиболее часто - сегментного типа.
В этом процессе конечная композиция образуется на бумагоделательной машине в результате смешения потоков бумажной массы, реагентов, связующих и наполнителей. Они поступают в систему смешения (дозирования) бумажной массы, где поток с каждой линии регулируется регуляторами соотношения. Эти регулирующие контуры требуют точности, поэтому здесь используются шаровые полнопроходные и сегментные краны.
Для «простых» регулирующих контуров (например, регулирования уровня в емкостях и т.п.) используются сегментные шаровые краны и дисковые затворы.
При работе под вакуумом дисковый затвор является наиболее экономичным для целей и регулирования и отсечки. Дисковый затвор применяют на линиях фильтрации и очистки, а также в случаях, где содержание бумажной массы ниже 5 %. В последнее время для отсечки основных линий подачи пара, на машине для сушки бумаги, используют дисковые затворы бесфланцевого типа. Они с успехом могут заменить полнопроходные и сегментные шаровые краны.
В виду повышенных требований к регулированию бумажной массы некоторые фирмы разработали систему, включающую регулирующую арматуру с приводом на основе шагового электродвигателя, рис.5.
Рис. 5. Регулирующая арматура с шаговым электродвигателем
С помощью сигналов, поступающих от компьютера, система способна управлять движением арматуры без гистерезиса. Отдельные элементы электроники и платы, смонтированные в блоке управления, входят в систему.
Необходим тщательный выбор арматуры для вспомогательных отделов целлюлозно-бумажного производства. Наполнители и крахмал, добавляемые во многие сорта печатных бумаг, а также каолиновая паста, входящая в состав покрытий, вызывают износ и эрозию. В связи с этим применяются шаровые краны с металлическими седлами. Седла, изготовленные из мягкого неметаллического материала, быстро изнашиваются, и требуется их частая замена независимо от конструкции.
Малошумные шаровые краны с установленными в них элементами шумоподавления применяют, когда высок перепад давления при дросселировании. Модификации регулирующих элементов с пластинами шумоподавления обеспечивают постепенное снижение давления. Это решает проблемы шума, кавитации и эрозии.
пневмоприводЫдля АРМАТУРЫ
Интенсификация технологических процессов в целлюлозно-бумажной промышленности и их высокая оснащенность системами автоматизации предъявляют повышенные требования к оборудованию и, в том числе, к регулирующим устройствам и их пневмоприводам. В ЦБП используется поворотная арматура (шаровые полнопроходные и сегментные краны, дисковые затворы, поворотно-плунжерные клапаны и т.п.), оснащенные в основном поршневыми пневмоприводами.
Основными требованиями к пневмоприводам являются:
- высокая надежность;
- функционирование в широким диапазоне параметров окружающей среды (температура, агрессивная атмосфера и др.);
- технические характеристики (зависимость крутящего момента от угла поворота и др.) должны учитывать особенности поворотной арматуры;
- возможность диагностики технического состояния в режиме «online».
В настоящем времени ЦБП России оснащена пневмоприводами более чем на 70%, из которых основным является поршневой привод, показанный на рис.6
Рис. 6. Пневмопривод поршневого типа, применяемый в ЦБП
Привод сконструирован для регулирующей и запорной арматуры и обеспечивает поворот на четверть оборота. Первые образцы данного привода появились на предприятиях ЦБП в 60-е годы прошлого века и за прошедшие годы доказали свою надежность и эффективность в эксплуатации. Конструкция привода состоит из пневмоцилиндра и рычажного механизма (редуктора), который преобразует линейное движение поршня во вращательное движение приводного вала на 90° (макс. 98 °).
На рис. 7 изображена характеристика крутящего момента «Мß» относительно угла поворота приводного вала «ß». Максимальный крутящий момент достигается при ß=0°, что обычно соответствует закрытому положению шаровых кранов и дисковых затворов, и где наблюдается максимальный крутящий момент диска или седла. Другой пик образуется при ß=60…80°, что соответствует максимальной величине динамического крутящего момента в дисковых затворах.
Рис. 7. Характеристика крутящего момента поршневого пневмопривода относительно угла поворота приводного вала
Простая кинематическая схема позволяет создать высоконадежную конструкцию привода. Уплотнение «поршень-цилиндр» мало изнашиваются, т.к. практически отсутствует поперечная сила, действующая на поршень.
Для адаптации на конкретном технологическом процессе ЦБП и для повышения надежности конструкторы фирм-производителей разрабатывают ряд специальных конструкций уплотнений и подшипников. Так, существуют градации для работы при повышенной температуре окружающей среды от -20 °С до +120 °С; для работы при низких температурах (до -40 °С); стандартное исполнение от +20 °С до +70 °С. Уплотнительные кольца в этой конструкции выполнены из фтористоуглеродной резины, а уплотнение поршня выполнено из тефлона с углеродом. Существуют конструкции на большое число переключений (циклов), более 1*106 . В этих конструкциях используются подшипники из армированного материала и сложные уплотнения.
Современным решением является диагностика приводов. Диагностика приводов в режиме online реализуется с помощью интеллектуальных позиционеров и специальных программно-диагностических комплексов. Состояние уплотнений поршня контролируется посредством обработки сигнала разности давлений в полостях цилиндра, тренды изменения качества уплотнений сохраняются в памяти позиционера и доступны для анализа работоспособности, проводимого обслуживающим персоналом. Состояние подшипников привода также контролируется позиционером. Контроль проводится совместно с диагностикой технического состояниия арматуры по величине крутящего момента вала привода и величине гистерезиса. Технические и программные средства в настоящем времени позволяют в режиме online достаточно точно контролировать состояние пневмопривода и планировать техническое обслуживание и ремонтные работы.
Несмотря на эффективность применения поршневых пневмоприводов, в отрасли наметился поэтапный переход на более совершенные диафрагменные приводы, рис.8. Особенно это стало заметным при реализации проектов новых высокоскоростных бумагоделательных машин. Главным достоинством этого привода является практически полное устранение внутреннего трения. Это, в свою очередь, дает лучшее соответствие управляющему сигналу, особенно, на малых ходах и высоких требованиях к скорости отклика. Ряд эксплуатационных испытаний показали, что можно снизить колебательность процесса по сравнению с поршневыми приводами еще на 22%.
Рис. 8. Диафрагменный привод
В КАЧЕСТВЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Требования, предъявляемые к арматуре в ЦБП отличаются высокой степенью внимания к качеству, точности регулирования и диагностики он-лайн, при обеспечении высокой надежности, характерной для непрерывных производственных процессов. В большей степени этому отвечает поворотная арматура. Сложные среды, отличающиеся высокими показателями кислотности и щелочности, а также абразивности и наростообразованием приводят к необходимости проведения значительных предэксплуатационных испытаний и подтверждений гарантий работоспособности арматуры. Выбор арматуры для производства целлюлозы более сложен в связи с более сложными процессами варки, каустизации, промывки и пр., тогда как при выборе арматуры для бумагоделательных производств, создающих конечный продукт всего производства ЦБК, большее внимание должно уделяться качеству регулирования и точности выполнения команд АСУ ТП.
Поршневые пневмоприводы, эксплуатируемые уже в течение нескольких десятилетий, являются на сегодняшний день одной из самых надежных конструкций для регулирующей арматуры и полностью удовлетворяет современным требованиям производства в ЦБП. Для совершенных высокоскоростных машин могут быть рекомендованы для внедрения диафрагменные приводы.
Основные сильные решения по применению арматуры в ЦБП основаны на учете особенностей среды и требований к достижению наиболее высоких технико-экономических показателей, связанных с качеством выходного продукта и соответствующих требований АСУ ТП и технологии. В результате этих требований чувствительность к цене арматуры по сравнению к требованиями к ее качеству в ЦБП значительно ниже.
 |