Расчет регулирующих клапанов

Кафедра автоматизации процессов химической промышленности

 

Н. А. Сягаев, М. В. Соколов, В.Г.Харазов

 

Расчет и проектирование технических средств автоматизации.

Расчет регулирующего органа

 

Методические указания

 

Санкт-Петербург

 

 

УДК 681.3

 

 

Сягаев Н.А. Расчет и проектирование технических средств автоматизации. Расчет регулирующего органа.: метод. указания.-Н.А. Сягаев, М.В. Соколов, В.Г. Харазов.-СПб.: СпбГТИ(ТУ), 2007.- 19 с.

 

В методических указаниях приводится подробная методика расчета профиля сплошного и пустотелого плунжера регулирующего клапана, применяемого для регулирования расходов жидких или газообразных сред методом дросселирования или байпасирования.

Методические указания предназначены для выполнения курсового проекта студентами четвертого курса по специальности 21.03 «Автоматизация химико-технологических процессов» и соответствуют рабочей программе по дисциплине «Специализированнные средства и системы автоматизации».

Ил. 5, таб. 7, библ. 5.

 

 

Рецензент: Р.И.Белова, канд. техн. наук, доцент

кафедры САПР и У СПбГТИ (ТУ)

 

 

Утверждены на заседании учебно-методической комиссией факультета информатики и управления 26. 11. 2007 г.

 

 

Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ).

ВВЕДЕНИЕ

 

Для транспортировки жидкостей и газов в технологических процессах применяют, как правило, напорные трубопроводы. В них поток двигается за счет давления, создаваемого насосами (для жидкостей) или компрессорами (для газов). Выбор необходимого насоса или компрессора производится по двум параметрам: максимальной производительности и необходимому давлению.

Максимальная производительность определяется требованиями технологического регламента. Давление, необходимое для обеспечения максимального расхода, рассчитывается по законам гидравлики, исходя из длины трассы, количества и величины местных гидравлических сопротивлений и допустимой максимальной скорости продукта в трубопроводе (для жидкостей 2-3 м/с, для газов-20-30 м/c).

Изменение расхода в технологическом трубопроводе может быть произведено двумя способами:

дросселированием - изменением гидравлического сопротивления дросселя, установленного в трубопроводе (рисунок 1а);

байпасированием - изменением гидравлического сопротивления дросселя, установленного на трубопроводе, соединяющем нагнетательную линию с всасывающей (рисунок 1б).

 

 

 

а

 

б

а) Регулирование расхода методом дросселирования.

б) Регулирование расхода методом байпасирования.

Рисунок 1 – Схемы регулирования расхода

 

Выбор способа изменения расхода определяется типом используемого насоса или компрессора.Для наиболее распространенных в промышленности центробежных насосов и компрессоров возможно применение обоих способов управления потоком.

Для объемных насосов, например, поршневых, допустимо только байпасирование жидкости. Дросселирование потока для таких насосов недопустимо, так как оно может привести к выходу из строя насоса или трубопровода. Для поршневых компрессоров применяют оба способа управления.

Изменение расхода жидкости или газа за счет дросселирования потока является основным управляющим воздействием в системах автоматического регулирования, применяемых в химической промышленности. Дроссель, используемый для регулирования технологических параметров, называется регулирующим органом.

1 Характеристики регулирующих органов

 

Основной статической характеристикой регулирующего органа является зависимость расхода через него от степени открытия:

q = f (h), (1)

где: q = Q / Q_max -относительный расход;

Q - расход, м³ /ч;

Q_max -максимальный расход, м³ /ч;

h = H / H_max - относительный ход затвора регулирующего органа;

H - ход затвора регулирующего органа, мм;

H_max -максимальный ход затвора регулирующего органа, мм.

Эта зависимость называется расходной характеристикой регулирующего органа. Поскольку регулирующий орган является частью трубопроводной сети, включающей в себя участки трубопровода, вентили, повороты и изгибы труб, восходящие и нисходящие участки, его расходная характеристика отражает фактически поведение гидравлической системы “регулирующий орган плюс трубопроводная сеть”. Поэтому расходные характеристики двух одинаковых регулирующих органов, установленных на трубопроводах разной длины, будут существенно различаться между собой.

Характеристикой регулирующего органа, не зависящей от его внешних соединений, является пропускная характеристика. Пропускная характеристика - это зависимость относительной пропускной способности регулирующего органа s от относительного его открытия h:

s = f (h), (2)

где: s = K_v / K_vу- относительная пропускная способность;

K_v -пропускная способность, м³ /ч;

K_{vу -} условная пропускная способность, м³ /ч.

За условную пропускную способность регулирующего органа К_vу принимают величину, численно равную расходу в м³ /ч через него вещества с плотностью 1.0*10³ кг/м³ (например, вода при температуре 20^оС) при перепаде давления 0,098 МПа. Условная пропускная способность регулирующего органа K_vу является одной из основных его технических характеристик.

Другими показателями, служащими основанием для выбора регулирующего органа, являются: диаметр его присоединительных фланцев Д_у, максимально допустимое давление Р_у, температура Т и свойства вещества. Индекс “у” указывает на условное значение показателей, что объясняется невозможностью обеспечить их точное соблюдение для серийных регулирующих органов. (Поэтому, например, для величины К_vу допускается разброс значений в пределах ± 8%).

Поскольку расходная характеристика дроссельного регулирующего органа зависит от гидравлического сопротивления трубопроводной сети, в которой он установлен, необходимо иметь возможность корректировать эту характеристику. Регулирующие органы, допускающие возможность такой корректировки, называются регулирующими клапанами. Они имеют сплошные (рисунок 2) или пустотелые (рисунок 3) цилиндрические плунжеры, допускающие изменение профиля для получения требуемой расходной характеристики. У первых изменяют профиль наружной поверхности плунжера, у вторых - профиль окон пустотелого плунжера.

y

 

М

Y

В В

Х

А N А

 

X

 

 

Дc

Рисунок 2 - Схема регулирующего клапана со сплошным плунжером

 

 

О

 

А В

 

Х _i

 

Рисунок 3 - Схема регулирующего клапана с пустотелым плунжером

 

 

Для облегчения корректировки расходной характеристики выпускают регулирующие клапана с различными видами пропускной характеристики: линейной и равнопроцентной.

У клапанов с линейной характеристикой увеличение пропускной способности пропорционально ходу плунжера:

ds = a dh, (3)

где а - коэффициент пропорциональности.

 

У клапанов с равнопроцентной характеристикой увеличение пропускной способности пропорционально ходу плунжера и текущему значению пропускной способности:

ds =a K_v dh. (4)

Различие между пропускной и расходной характеристиками регулирующего клапана тем больше, чем больше гидравлическое сопротивление трубопроводной сети. Отношение пропускной способности клапана K_vр к пропускной способности трубопровода K_vт называется гидравлическим модулем системы n:

. (5)

Чем меньше гидравлическое сопротивление трубопровода, тем больше его пропускная способность. В пределе, когда трубопровода нет вообще, расходная и пропускная характеристики совпадают. Таким образом, характеристики регулирующих клапанов соответствуют условию: K_{vт =} ¥ и n =0. При значениях n > 1,5 регулирующие клапана с линейной пропускной характеристикой становятся непригодными для использования в системах автоматического регулирования из-за непостоянства коэффициента пропорциональности а на протяжении всего хода. Для регулирующих клапанов с равнопроцентной пропускной характеристикой расходная характеристика близка к линейной при значениях n от 1,5 до 6. Поскольку диаметр технологического трубопровода Д_т обычно выбирается с запасом, может оказаться, что регулирующий клапан с таким же или близким диаметром условного прохода Д_у имеет избыточную пропускную способность и, соответственно, гидравлический модуль. Для уменьшения пропускной способности клапана без изменения его присоединительных размеров заводы-изготовители выпускают клапаны, отличающиеся только диаметром седла Д_с.

Для выбора клапана (по таблице 1) необходимо руководствоваться его пропускной способностью K_vу и Д_у . Коэффициент К показывает степень уменьшения площади проходного сечения седла клапана относительно площади проходного сечения фланцев.

 

 

Таким образом, для односедельного клапана:

, (6)

а для двухседельного:

. (7)

 

Таблица 1 - Значения коэффициентов условных пропускных способностей

регулирующих клапанов K_vу , м³ / ч.

Kvу
К Ду, мм	1.0	0.6	0.4	0.25
	6,3		2,5	1,6
			6,3

РАСЧЕТ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ

 

Расчет регулирующего клапана необходим для обоснованного его выбора по каталогу серийных изделий.

Расчет начинают с определения числа Рейнольдса при максимальном расходе потока Q_max:

, (8)

где V_max - скорость потока при максимальном расходе, м/с;

Д_т -диаметр трубопровода, м;

r -плотность,кг /м³ (смотри Таблицу 2);

m - динамический коэффициент вязкости, Па с (смотри Таблицу 3).

 

 

Таблица 2 - Плотность воды и воздуха при различных температурах,r кг /м³

 

Температура, оС	Вода	Воздух
	998,15	1,310
	998,23	1,205
	995,67	1,180
	992,24	1,175
	988,07	1,170
	971,83	1,160

 

 

Таблица 3 - Вязкость воды и воздуха при различных температурах, m *10^-6, Па с

 

Температура, оС	Вода	Воздух, Р=0,1МПа	Воздух, Р=2,0 МПа
0	1797	17,2	17,5
20	1004	18,1	18,6
30	803	18,9	19,7
40	655	20,3	20,9
50	551	21,8	22,0
80	357	26,2	26,3

Определяют потерю давления в трубопроводной сети ΔР_{т max} в Па при максимальной скорости потока V_max:

, (9)

где x_т =åx _м + l L_т / Д_т -общий коэффициент гидравлического сопротивления

трубопровода;

åx_м -сумма коэффициентов местных сопротивлений элементов

трубопровода (смотри Таблицу 4);

- коэффициент трения при Re _max > 2300 (турбулентный

режим движения);

- коэффициент трения при Re _max < 2300 (ламинарный

режим движения);

L_т - суммарная длина прямых участков трубопровода, м.

Таблица 4 - Коэффициент местного сопротивления x

 

Диаметр,мм
Вентиль нормальный	10.8		4.9		4.1	4.4	4.7	5.1	5.5
Колено (угольник) 90о	2.2		1.6	1.1	1.1	1.05	1.05	1.0	1.0

 

Определяют перепад давлений на регулирующем клапане DP_k в Па при максимальной скорости потока:

 

DP _k =P _н - P _к - DP _{т max} + Н_оr g, (10)

 

где Р_н - давление в начале трубопровода (напорный коллектор), Па;

P _к - давление в конце трубопровода (приемный коллектор), Па;

H_о- разность высот между начальной и конечной точками трубопровода, м.

 

Определяют расчетное значение пропускной способности регулирующего клапана K _{V р} в м³ / ч:

а) для турбулентного режима движения

 

, (11)

 

где Q_max -максимальный расход, м³ / ч;

r - плотность, кг/ м³ ;

DP _k -перепад давлений на клапане,Па.

h-коэффициент запаса, h=1,25.

 

б) для ламинарного режима движения

 

, м³ / ч (12)

 

где y - поправочный коэффициент на вязкость жидкости, определяемый по

графику на рисунке 4.

 

 

y

1-для двухседельных клапанов; 2- для односедельных клапанов

Рисунок 4- График зависимости поправочного коэффициента y на влияние

вязкости среды от числа Re

 

 

По полученному значению K_Vр для диаметра трубопровода Д_у по справочным материалам [ 4, Приложение А ] выбирают регулирующий клапан с ближайшим большим значением условной пропускной способности K_Vу.

Определяют пропускную способность трубопроводной сети в м³/ч:

 

. (13)

 

Определяют гидравлический модуль системы по формуле (5).

По приведенным выше рекомендациям выбирают форму пропускной характеристики регулирующего клапана и профилируют его плунжер.