CC BY
58
УДК 62-3
UDC 62-3
О РАСЧЁТЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ
ON THE CALCULATION OF HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF SHUT-OFF AND CONTROL VALVES
А. В. Телепнева, Д. Д. Дымочкин
Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация
[email protected] [email protected] М.В. Телепнев
ООО «Камоцци Пневматика», Москва, Российская Федерация
A. V Telepneva, D. D. Dymochkin
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
[email protected] [email protected] M.V Telepnev
Camozzi Pneumatic, Moscow, Russian Federation tmv [email protected]
В работе рассмотрена стандартная методика The paper considers the standard method for определения гидравлических характеристик determining the hydraulic characteristics of shut-запорно-регулирующей арматуры (ЗРА) и off and control valves and its shortcomings. указаны её недостатки. Даны рекомендации по Recommendations on the improvement of this уточнению данной методики за счёт technique through the use of the least squares применения метода наименьших квадратов method are given. The use of the least squares (МНК). Применение МНК позволяет method allows you to determine the value of the определить значение начальной пропускной initial capacity, to build the calculated capacity способности ЗРА, построить расчётную characteristics, to more accurately determine the пропускную характеристику, более точно lowest and the highest capacity, to control the определить наименьшую и наибольшую range and compliance (non-compliance) with the пропускную способность, диапазон requirements of GOST. регулирования и соответствие
(несоответствие) требованиям ГОСТ.
Ключевые слова: запорно-регулирующая Keywords: shut-off and control valves, equal арматура, равнопроцентная характеристика, percentage characteristic, capacity, flow пропускная способность, расходная characteristic. характеристика.
Введение. Управление потоками жидкостей и газов в трубопроводных системах, линиях и участках осуществляется с использованием устройств, объединенных общим названием трубопроводная арматура. Запорно-регулирующей арматурой (ЗРА) называются устройства, предназначенные для регулирования различных параметров технологических процессов за счёт изменения расхода транспортируемой среды.
Одной из основных характеристик ЗРА, определяющей область её применения, является пропускная характеристика, которая может быть линейной, равнопроцентной и специальной [1].
ЗРА с равнопроцентной характеристикой рекомендуют использовать в тех случаях, когда пропускная способность ЗРА превышает пропускную способность трубопроводной системы более чем в шесть раз [2].
Равнопроцентной называется пропускная характеристика регулирующей арматуры, при которой приращение относительной пропускной способности по ходу пропорционально текущему значению относительной пропускной способности и имеет математическое выражение [1]:
Ф = Ф
1
0
(1)
где Ф - относительная пропускная способность, Ф0 - относительная начальная пропускная способность, Л - относительный ход запорного элемента. Относительная пропускная способность:
Ф =
к,
уу
где Кщ - пропускная способность на текущем ходе, Кщу - условная пропускная способность. Относительная начальная пропускная способность:
Фп = ~
К,
уу
(2)
(3)
где Кщо - пропускная способность, задаваемая для построения пропускной характеристики при ходе, равном нулю.
В зависимости от величины Ф0 пропускная характеристика может иметь вид, представленный на рисунке 1 [2].
Рис. 1 - пропускные характеристики регулирующих клапанов.
1 - при Ф0 = 0,02; 2 - при Ф0 = 0,04; 3 - при Ф0 = 0,1
Величина Ф0, определяющая вид пропускной характеристики, влияет также на диапазон регулирования ЗРА [1]:
Д = Г^- (4)
кУтт
где Кутгп - наименьшая пропускная способность, при которой сохраняется пропускная характеристика в допускаемых пределах.
Согласно [3] отечественные регулирующие клапаны должны иметь Ф0 не более 4% (0,04) при диапазоне регулирования не менее 16. Зарубежная арматура может иметь диапазон регулирования до 50.
Вид пропускной характеристики (величина Ф0) в итоге совместно с пропускной способностью трубопровода определяет расходную характеристику трубопроводной системы [2]. Однако, в каталогах компаний-производителей ЗРА, значения начальной пропускной способности и(или) диапазона регулирования, как правило, не указываются [4-7]. Поэтому, для проведения более точных расчётов и моделирования трубопроводных систем желательно определять эти показатели экспериментально или аналитически.
Определение гидравлических характеристик ЗРА.
Определение гидравлических характеристик ЗРА по результатам экспериментов и расчётов регламентируется [8]. В общих чертах определение пропускной способности по экспериментальным данным проводят для хода регулирующего элемента (5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100)% в следующей последовательности:
- В установившемся режиме измеряют расход, перепад давления и рассчитывают величину пропускной способности.
- По результатам испытаний строят графики зависимости KV = f(hi).
- Рассчитывают значение относительной пропускной способности для равнопроцентной характеристики по формуле (1).
- Рассчитывают допустимые значения пропускной способности (минимальное min Кудоп и максимальное max Кудоп) по формулам:
minKvдощ = Kv.(1 - 0,01 • S(Kv.)) (7)
maxKvдощ = Kv.(1 - 0,01 • S(Kv.)) (8)
где KVi - пропускная способность на текущем ходе, S(Kvi) - допустимое относительное отклонение:
S(Kv.) = ±15 • Ф-Диапазон регулирования рассчитывают по формуле
KVmax
0,2
Д =
Kv .
v mm
(9)
(10)
где Кутах - максимальное значение пропускной способности в диапазоне хода регулирующего элемента, в котором сохраняется заданный вид пропускной характеристики. Чаще всего, Кутах=КУу и формула (10) преобразуется в (4).
Рис. 2 - Определение гидравлических характеристик ЗРА 1 - верхнее допустимое отклонение, 2 - расчетная характеристика, 3 - нижнее допустимое отклонение, 4 - экспериментальная характеристика.
Уточнение стандартной методики.
Основным недостатком рассмотренной методики является необходимость расчёта относительной пропускной способности по формуле (1), для которой, как было указано выше, значение начальной пропускной способности (Ф0), как правило, неизвестно.
Для определения Ф0 предлагается следующая методика, основанная на методе наименьших квадратов (МНК).
Равнопроцентную характеристику (1) можно представить в следующем виде:
Ф* = Фо* • И* (11)
где Ф* = 1пФ; Фо* = 1пФо; И* = 1 - И
В данном случае Ф0* является неизвестным коэффициентом модели, который в соответствии с методом наименьших квадратов, минимизируя функционал Б, можно определить по формуле:
Фп =
Тогда
Ф0 = еф0
(12)
(13)
При необходимости можно также определить КуШш и Д. Для этого на графике совместно с пропускной характеристикой строим её верхнее и нижнее предельное отклонение. В соответствии с [3] предельные отклонения определяются:
ДФ; = фф±0Д5(1)0'2] (14)
Рассмотрим данную методику на примере седельного регулирующего клапана серии VL10 [9]. Односедельный двух ходовой регулирующий клапан серии "УЫО специально разработан для регулирования расхода продукта в различных условиях эксплуатации, таких как: вода, пар, перегретый пар и др. Пропускная характеристика клапана представлена на рисунке 3.
Рис. 3 - Пропускная характеристика регулирующего клапана серии УЬ10 в относительных единицах (%).
По графику определяем исходные данные для расчёта, которые представлены в таблице 1. Расчёты, проведенные в программе МаШсаё по (1), (11-14), дают следующие результаты, также представленные в таблице 1 и на рисунках 4, 5.
Таблица 1 - Исходные данные и результаты расчётов
Исходные данные
Переменные Номер опыта
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ъ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Ъ* 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Ф 0,025 0,045 0,075 0,12 0,18 0,26 0,36 0,5 0,7 1
Ф* -3,689 -3,101 -2,59 -2,12 -1,715 -1,347 -1,022 -0,693 -0,357 0
Результаты расчётов
Ф* -3,399 -3,021 -2,644 -2,266 -1,888 -1,511 -1,133 -0,755 -0,378 0
Ф 0,033 0,049 0,071 0,104 0,151 0,221 0,322 0,47 0,685 1
Фмах 0,043 0,062 0,089 0,128 0,184 0,266 0,383 0,552 0,796 1,15
Фмт 0,024 0,035 0,053 0,079 0,118 0,176 0,261 0,388 0,575 0,85
На рисунке 4 красной пунктирной линией показана расчётная пропускная характеристика, красными сплошными линиями - верхнее и нижнее предельные отклонения. На рисунке 5 в
увеличенном масштабе показан начальный участок пропускной характеристики для определения КУт„, которая составляет 2,2% или 0,022.
Начальная относительная пропускная способность, определённая по формулам (12, 13) Ф0 = 0,023 (2,3%).
Из рисунка 4 также видно, что в области полного открытия клапана его реальная пропускная характеристика не выходит за пределы допустимых отклонений расчётной характеристики, следовательно, КУтаа=Клу=1 (100%).
Тогда:
Д =а522 = 45
Следовательно, пропускная характеристика клапана "УЫ0 соответствует требованиям ГОСТ 12893-2005.
Рис. 4 - Расчетная и исходная пропускные характеристики с предельными отклонениями
Рис. 5 - Определения минимальной пропускной способности
Заключение
Предложено уточнение стандартной методики определения гидравлических характеристик запорно-регулирующей арматуры, что позволит уточнить расчёты трубопроводных систем на этапе проектирования.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 52720-2007 / Арматура трубопроводная. Термины и определения. - Москва : Стандартинформ, 2007 - 28 с.
2. Гуревич Д. Ф. Трубопроводная арматура: Справочное пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — Ленинград: Машиностроение, 1981. — 368 с.
3. ГОСТ 12893-2005 / Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные. Общие технические условия. - Москва : Стандартинформ, 2008 - 34 с.
4. Ю.Д. Логанова Трубопроводная арматура. Номенклатурный каталог - справочник, Том 1 Краны. Указатели уровня. Затворы дисковые поворотные - Москва : Алекс 2006.- 614 с.
5. Ю.Д. Логанова Трубопроводная арматура. Номенклатурный каталог - справочник, Том 4, Клапаны регулирующие. Регуляторы давления и других параметров. Клапаны смесительные. Распределители. - Москва : Алекс 2006.- 692 с.
6. Каталог ООО «Danfoss» Запорно-регулирующая арматура для систем водоснабжения -Москва 2014 - 98 с.
7. Технический каталог «Система Heisskraft-industry». Трубопроводная арматура -Москва 2013.- 26 с.
8. ГОСТ Р 55508-2013 / Арматура трубопроводная. Методика экспериментального определения гидравлических и кавитационных характеристик.- Москва : Стандартинформ, 2014 -53 с.
9. Каталог трубопроводной арматуры. Версия 4.1. Клапаны регулирующие. Серия УЬ10 / ООО «Камоцци Пневматика» - Режим доступа: http://www.catalog.camozzi.ru/pdf/series_vl10.pdf/ (дата обращения: 11.02.2019)
