Интенсификация производственных процессов, повышение единичных мощностей технологических агрегатов делают качество регулирования и надежность одним из основных требований к технологии и к системам автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП). В полной мере это требование относится к запорной и особенно к регулирующей арматуре – как правило, конечному элементу АСУ ТП.
Получение качественной целлюлозы и бумаги на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК) происходит за счет слаженной работы основных производств, участков и технологических линий. Их надежная и непрерывная взаимосвязанная работа обеспечивается качественным регулированием технологических процессов системами автоматизации и эффективной системой технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Регулирующая арматура, а также запорная, в большинстве своем автоматическая арматура, является одним из главных элементов обеспечения качества управления технологическими процессами на ЦБК в целом (рис. 1).
1 – склад балансов; 2 – линия древесно-механической массы; 3 – целлюлозная линия; 4 – линия макулатурной массы; 5 – линия облагораживания макулатурной массы; 6 – картоно- или бумагоделательная машина; 7 – машина для производства санитарно-гигиенический бумаги; 8 – основные системы предприятия, зависящие от эффективной работы арматуры; 8а – автоматизация (АСУ ТП); 8б – ТО и ремонт; 8с – технология. 9 – основные отделения ЦБК: 9а – целлюлозное производство и производство древесной массы; 9б – бумагоделательное производство.
Действительно, вследствие завершающей роли регулирующей арматуры в системе регулирования технологического процесса и АСУ ТП, к ней предъявляют наиболее жесткие требования. Потребитель должен быть уверен, что арматура будет сконструирована в соответствии с ее предназначением и будет отвечать всем необходимым стандартам. Регулирующая арматура должна быть изготовлена, собрана, проверена и испытана таким образом, чтобы гарантировать соответствие ее целевой функции применения.
Арматура является типичным примером, когда простейшая из возможных конструкций является также и наилучшей. Применение арматуры вращательного действия (поворотной арматуры, ПА) в ЦБП – тому пример. Фактически главной причиной, почему поворотная арматура завоевывает большую популярность по сравнению с обычными линейными клапанами и задвижками, имеющими линейно-перемещающийся плунжер, является их сравнительная простота. Это обеспечивает ряд преимуществ в применении, таких как низкая цена, высокая надежность и простота конструкции. Простая конструкция ПА дает возможность эффективно использовать новые технологии в производстве целлюлозы и бумаги.
Приводы, исполнительные механизмы, позиционеры и другие элементы, связанные с контурами регулирования, позволяют использовать электронику и различные элементы автоматики. Технология регулирования уже включает в себя современную математику. Для этих блоков мехатроника является самым подходящим методом реализации поставленных задач.
Качество является главным фактором и при конкуренции. В настоящее время уже недостаточно одной только совершенной технологии: конкуренция требует абсолютного качества. Для регулирующей арматуры это означает обеспечение высокой точности во всех контурах регулирования, сопряженных технологических операциях и в работе каждой технологической установки или отдельного участка производства.
В промышленности, включая и ЦБП, «Концепция абсолютного качества» может быть достигнута только при тесном сотрудничестве потребителя и поставщика.
Для лучших компаний это означает, что производственные процессы потребителя запорно-регулирующей арматуры должны находиться в центре внимания и являются толчком к проведению исследований и разработок. Хотя полное следование концепции абсолютного качества приводит к тому, что конструкция изделия усложняется, но арматура становится более приспособленной для каждого конкретного применения. При этом больше внимания уделяется сборке, проверке и испытаниям, что создает качество в процессе производства и обеспечивает надежность в дальнейшей эксплуатации. Для потребителя запорно-регулирующей арматуры это означает эффективную отдачу от вложенных средств.
Сильное влияние в эффективном применении регулирующей арматуры в ЦБП оказывает степень интеграции с инжиниринговыми компаниями и системными интеграторами, обеспечивающими выполнение гарантийных обязательств по обеспечению качества выходного продукта, а также выполнение технико-экономических показателей проекта. Это достигается путем кооперации между поставщиками арматуры и поставщиками систем управления процессом. В то же время каждый должен искать не только способы повышения качества в своей области, например, только производства регулирующей арматуры, но и обеспечения интегрирования в системы автоматизации и специализации под конкретные условия работы технологических установок.
В реализуемых инвестиционных проектах или проектах модернизации необходимо учитывать фактор цены. Хотя низкая стоимость регулирующей арматуры во многом может быть «входным билетом» в проект, но такой показатель, как стоимость владения за время жизненного цикла работы арматуры в составе технологической установки, может являться определяющим фактором при выборе арматуры. Решения о капиталовложениях, основанных на принципах уменьшения общей стоимости владения за срок жизни проекта, характерны для ЦБП, где качество готового продукта сильно влияет на его рыночную цену и создает инвестиционные возможности для приобретения арматуры более высокого ценового диапазона. В частности, поэтому многие российские производители арматуры не могут пробиться в проекты в ЦБП, где определяющим фактором является не цена, а способность выполнить требования, предъявляемые к регулированию технологического процесса.
Так как новые разработки решают проблемы во многих сложных случаях применения, возникает новая задача для потребителя регулирующей арматуры: как выбрать лучшую продукцию из широкой ее номенклатуры. Стратегия выбора регулирующей арматуры, основанная лишь на низкой цене, чаще всего не оправдывает себя из-за недостаточного срока службы такой арматуры. Также необходимо принимать во внимание такие факторы, как «плавающие» цены на продукцию предприятия, стоимость простоев, замораживание свободных средств и стоимость монтажных и ремонтных работ, дороговизна даже относительно «дешевого» персонала при частых работах по ремонту и обслуживанию ненадежной арматуры. К тому же мало внимания уделяется экономии, получаемой при унификации запорно-регулирующей арматуры.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К АРМАТУРЕ
Автоматизация и приборное обеспечение – одно из необходимых условий развития и технического прогресса любой отрасли промышленности. От поставщиков регулирующей арматуры требуется более глубокое изучение процессов, и, в первую очередь, должны быть решены такие проблемы, как повышение уровня точности и качества регулирования, снижение шума и кавитации. Поскольку получение целлюлозы и бумаги является длительным процессом и в основном однопоточным, надежность управления каждым устройством, участвующим в процессе, должна быть чрезвычайно высока. В этом отношении подобные требования должны быть распространены не только на регулирующую, но и на запорную арматуру.
На целлюлозно-бумажных предприятиях предъявляют повышенные требования к коррозионной стойкости оборудования, так как не могут быть полностью предотвращены утечки целлюлозной массы, кислот и щелочей. Соединения между арматурой, приводами и другими узлами должны быть полностью герметизированы.
Производственные аппараты, такие как рафинеры термомеханической массы (ТММ) и насосы, а также такие вредные явления, как кавитация в арматуре, вызванная большим перепадом давлений, и пульсации среды, создают вибрацию в трубопроводах. Поэтому оборудование, установленное на трубопроводах, должно быть рассчитано на довольно высокую температуру и вибрацию. При этом эксплуатационные качества отдельных единиц арматуры, приводов и позиционеров всегда необходимо проверять в условиях производства.
В некоторых случаях транспортируемая среда может предъявлять высокие требования к регулирующей и запорной арматуре. Целлюлозная суспензия, которая может содержать сучки или другие твердые включения, вызывает значительный износ и абразивное истирание. Эти явления вместе с ударными нагрузками на линии могут легко разрушить арматуру, которая установлена, например, на выдувке варочного котла. Аналогичные проблемы возникают и при процессах кристаллизации, гипсации и карамелизации, а также при переработке и транспортировке зеленых и белых щелоков. Большие сложности возникают и при сервисном обслуживании арматуры, регулирующей давление в рафинерах ТММ, где загрязненный пар образует наросты мелкодисперсной накипи на всех поверхностях.
Эти примеры показывают, что необходим широкий спектр исследований и практического опробования арматуры в работе для того, чтобы подобрать оптимальный вариант арматуры для каждого случая применения. Особенно важным является выбор материалов. Конструкционные материалы основных деталей клапанов назначаются с учетом энергетических (температура, давление) и эксплуатационных (коррозионные свойства, наличие абразивов и т. п.) параметров. Набор используемых материалов в основном устанавливается практикой. Некоторые рекомендации по выбору материалов для деталей арматуры в средах, характерных для ЦБП, приведены в таблице 1.
ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ АРМАТУРЫ С ВРАЩАТЕЛЬНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ШТОКА
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);
• замену 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 увеличить степень использования производственных мощностей 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 АРМАТУРЫ ДЛЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ЗАВОДОВ
Современные непрерывные системы варки, промывки и отбелки автоматизированы уже с начальной стадии технологии. Поворотная регулирующая и запорная арматура используется на большинстве 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).
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.
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 АРМАТУРЫ ДЛЯ 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 регулирования используют сегментный шаровой кран с широким диапазоном коэффициента пропускной способности (Кv).
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 котлах периодического 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 целлюлозных линий 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. Специальным видом 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 при разбавлении 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.
В связи с повышенными требованиями к регулированию бумажной массы некоторые фирмы разработали систему, включающую регулирующую арматуру с приводом на основе шагового электродвигателя (рис. 5).
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.
ПНЕВМОПРИВОДЫ ДЛЯ 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.
- высокая надежность;
- функционирование в широком 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 настоящее время ЦБП России оснащена пневмоприводами более чем на 70%, из которых основным является поршневой привод, показанный на рис. 6
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.
Простая кинематическая схема позволяет создать высоконадежную конструкцию привода. Уплотнение «поршень-цилиндр» мало изнашивается, так как 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 состояния арматуры по величине крутящего момента вала привода и величине гистерезиса. Технические и программные средства в настоящее время 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 показал, что можно снизить колебательность процесса по сравнению с поршневыми приводами еще на 22%.
В КАЧЕСТВЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Требования, предъявляемые к арматуре в ЦБП, отличаются высокой степенью внимания к качеству, точности регулирования и онлайн-диагностики, 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 наростообразования, требуют проведения значительных предэксплуатационных испытаний и подтверждения работоспособности арматуры. Выбор арматуры для производства целлюлозы более труден в связи со сложностью процессов 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 удовлетворяют 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.
Опубликовано в «Вестнике арматурщика» № 8 (28) 2015
