Повышение эффективности динамических систем «Запорная арматура электропривод» Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 338.43:621.646.98

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ «ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА - ЭЛЕКТРОПРИВОД»

Е.В. Плахотникова, В.Б. Протасьев

В статье приводиться теоретическое и экспериментальное обоснования возможности повышения эффективности систем «запорная арматура - электропривод», путем учета электродинамической составляющей при выборе управляющего устройства, что позволяет минимизировать время запирания трубопроводов с газообразным носителем, снизить электродинамические нагрузки в запорном органе, уменьшив мощность электропривода и увеличив его скорость.

Ключевые слова: электроприводная запорная арматура, динамические нагрузки, электродинамический момент, эффективность.

В настоящее время требования Атомэнергопроектов к быстродействию запорной арматуры в системах безопасности АЭС существенно повысились. В среднем время закрытия (открытия) арматуры составляет не более 10с для любого прохода и давления среды и очевидно, что данный параметр будет иметь еще более низкие границы.

Быстродействие выполнения рабочего цикла «открыто - закрыто» достигается путем увеличения скорости выходного вала электропривода. Так, например, заменив электропривод с частотой вращения выходного вала п=16 об/мин на электропривод с частотой вращения выходного вала п=32 об/мин можно снизить время закрытия арматуры в 2 раза.

Экспериментальные исследования систем «запорная арматура -электропривод», позволяют утверждать, что увеличение скорости электропривода приводит к росту электродинамических крутящих моментов (Мэлдин). Это, в соответствии с установленными функциональными взаимосвязями между элементами системы [1], значительно увеличивает усилия запирания арматуры и ведет к дополнительным напряжениям в элементах запорного устройства.

По сведениям одного из крупнейших арматуростроительных предприятий России «Корпорация Сплав» (г. Великий Новгород), основные отказы, фиксируемые на стадии приемочных испытаний новых изделий, все чаще связанны с поломкой деталей арматуры и изгибом силового винта, причинами которых и являются чрезмерные нагрузки, возникающие под действием электропривода в конструкции запорного устройства.

Теоретическое исследование вопроса, позволяет утверждать, что ни одна из методик силовых расчетов [2, 3], используемых для определения необходимых усилий в запорной арматуре, не учитывает ни инерции системы, ни электродинамический момент электропривода, возникающий в системе за время запаздывания системы управления на отключение элек-

тродвигателя.

Все вышесказанное ставит под сомнение корректность применения существующих методик для расчета параметров настройки сложных электродинамических систем «запорная арматура - электропривод».

Для пояснения, приведем результаты эксперимента с запорным клапаном НГ 26526-065АЭ-43 при использовании в качестве управляющего устройства электропривода ЭПАС 10.1 с различной частотой вращения выходного вала (табл. 1).

Таблица 1

Результаты эксперимента, зафиксированные блоком управления AUMATICAC 01.2 Шп-Шг^^е при функционировании системы «клапан запорный (НГ 26526-065АЭ-43 по ТУ 26-07-1407-2008) - электропривод (ЭПАС 10.1)»

Давление рабочей среды в клапане НГ 26526-065АЭ-43 по ТУ 26-071407-2008 Моменты настройки на отключение электропривода ЭПАС 10.1 (Мнзак) Нм

40 50 60 70

Фактические значения моментов, зафиксированные электронным блоком управления AUMATIC AC 01.2 №п-тйш^е в момент полной остановки (Мэл.дин) Н-м

при управлении электроприводом ЭПАС 10.1 -14Б (частота вращения выходного вала п=32 об/мин)

PN =0 МПа 78,5 89,75 103 117,75

PN =2.5 МПа 84 98 106,25 118

при управлении электроприводом ЭПАС 10.1 -16Б (частота вращения выходного вала п=63 об/мин)

PN=0 МПа 117.75 143.5*

Примечания:

1. *- замеры произведены динамометрическим ключом;

2. Тип электропривода ЭПАС 10.1-140 для управления запорным клапаном НГ 26526-065АЭ-43 выбран в соответствии с ТУ 26-07-1407-2008;

3. Изменение частоты вращения электропривода обеспечивается за счет замены электродвигателя 1400 об/мин (ЭПАС 10.1-140) на двигатель 2800 об/мин (ЭПАС 10.1-160).

Проведенный эксперимент позволяет сделать следующие выводы:

1. Электродинамический момент, фиксируемый при полной остановке системы «запорная арматура - электропривод» значительно превы-

шает параметры настройки электропривода на отключение.

2. Увеличение скорости электропривода приводит к росту электродинамического момента.

3. Электропривод может обеспечить надежную работу запорной арматуры при значительно меньших параметрах настройки, что позволит снизить нагрузки, возникающие системе при герметизации трубопровода, повысить срок службы ряда комплектующих деталей запорной арматуры и увеличить межремонтный период.

Последний вывод был сделан на основании сопоставления результатов эксперимента с основными техническими параметрами, указанными в ТУ 26-07-1407-2008 на клапан НГ 26526-065АЭ-43.

Так, крутящий момент необходимый для обеспечения требуемых усилий в запорном органе с целью герметичного перекрытия трубопровода при давлении рабочей среды PN =2.5 МПа прописанный в ТУ соответствует Мкрзакр = 89 Нм. Указанное значение, рассчитывается в соответствие с методиками силовых расчетов [2], т.е. без учета электродинамики привода и используется для настройки муфты ограничения крутящего момента электропривода:

М-н.зак М-кр.закр (1)

По результатам эксперимента (таблица 1) видно, что значение необходимого крутящего момента (Мкрзакр = 89 Нм) можно достичь при настройки электропривода на момент отключения Мнзак = 50 Нм, причем с 10% запасом (Мэлдин = 98 Нм), таким образом необходимость в задании при настройки электропривода более высоких моментов отсутствует.

Проведенные экспериментальные исследования позволяют утверждать, что тождество (1) справедливо только для настройки привода с ручным управлением, а в случае использования в качестве управляющего устройства электропривода приводит к значительным превышениям результирующих электродинамических крутящих моментов возникающих в системе «запорная арматура - электропривод» при совместном функционировании ее элементов.

Для обеспечения надежной работы электроприводной запорной арматуры и выполнения требований герметичности необходимому значению крутящего момента на закрытие (Мкрзакр.) прописанного в ТУ на запорную арматуру должен соответствовать не момент настройки (Мнзак), а электродинамический момент (Мэлдин):

М-эл.дин М-кр.закр (2)

Все это подтверждает актуальность проводимых исследований и необходимость корректировки методик силовых расчетов запорной арматуры путем внесения электродинамикой поправки.

Значение поправки можно определить из уравнения (3), полученного на основании методики расчета фактических нагрузочных характери-

стик, возникающих в арматуре под действием электропривода, в основу которой заложен принцип минимума работ и энергий системы «запорная арматура - электропривод» [1] разработанной на базе кафедры «Инструментальные и метрологические системы» Тульского государственного университета:

Мзл.дин. = мн£ак + (3)

где Мн.зак - величина крутящего момента, заданная при настройке на отключение электропривода; АМ3 - приращение крутящего момента за время запаздывания системы управления на отключение электродвигателя (время запаздывания обусловлено токовременными характеристиками элементов, задействованных при отключении электродвигателя: контакторы, силовых разъединители и т.д.); АМТ - приращение крутящего момента за счет энергии инерции подвижных элементов системы после отключения электродвигателя до полной остановки системы «запорная арматура - электропривод».

Момент настройки на отключение системы при выполнении рабочего цикла «открыто - закрыто» с учетом электродинамической составляющей процесса (Мн.эл.дин.) можно определить с учетом формул (2,3) как:

мн.зл.дин. = м^. - дм3 - дм7 (4)

где Мн.эл.дин. - необходимый момент настройки на отключение электропривода с учетом электродинамической поправки; Мкр закр - необходимый крутящий момент для обеспечения герметичного перекрытия трубопровода при выполнении рабочего цикла «открыто - закрыто» системой «запорная арматура - электропривод».

Но использование формулы (4) для назначения параметров настройки системы требует соблюдение следующего условия:

Мн.эл.дин >МХХ (5)

где Мхх - крутящий момент на холостом ходу электропривода необходимый для перемещения запорного органа арматуры до посадки в седло.

Условие (5) определяет возможность работы электропривода с асинхронным двигателем при пуске системы, для которого вращающий момент должен быть больше момента сопротивления (Мвр>Мс).

Использование формулы (4) на практике, требует определение трех ее составляющих: Мкр закр, ДМ3 и ДМ.Т.

Значение Мкр закр можно определить путем статического расчета силовых параметров запорной арматуры [2], т.к. их корректность в случае применения ручного электропривода подтверждена многолетним опытом эксплуатации и многочисленными испытаниями.

Приращения моментов ДМ3 и ДМТ зависит от характеристик всех элементов входящих в систему «запорная арматура - электропривод»: электропривода, запорной арматуры и системы управления, и требует индивидуального расчета для каждой системы.

Моделирование процесса формирования нагрузочных характеристик запорной арматуры под действием электропривода [1], в зоне упругой деформации, т.е. после достижения запорным органом седла, позволило выявить линейную зависимость электродинамического момента (Мэл дин) от угла поворота подвижного элемента силовой пары «винт-гайка» (ср), используемого в конструкции арматуры для преобразования вращательного движения электропривода в поступательное движение запорного органа арматуры (рис.1).

Рис. 1. График изменения электродинамического крутящего

момента на выходном валу электропривода Мшдин, от угла поворота (р подвижного элемента силовой пары «винт-гайка»

Обозначения на рис.1, соответствуют следующим параметрам по оси абсцисс:

ср1 - угол поворота подвижного элемента резьбовой пары «винт-гайка», необходимый для обеспечения герметичности затвора арматуры;

ф2 - угол поворота подвижного элемента резьбовой пары «винт -гайка», за время запаздывания системы управления при отключении электродвигателя;

фЗ - угол поворота подвижного элемента резьбовой пары «винт -гайка», за полный цикл - от подачи сигнала на включение электродвигателя привода до полной остановки системы с учетом инерционного выбега.

На основании графика (рис. 1) суммарное приращение момента АМ3+АМ.т можно определить из следующей зависимости:

М (Н м)

Крутящий момент на выходном валу электропривода

расчетные значения крутящего момента на отключение указанные в ТУ

фактическое значение крутящего момента при остановки системы «запорная арматура -электропривод»

Мэл. дин.

Мн

Угол поворота подвижного элемента

момент настроики на отключение

О ф1

г.др

ДЛІз +ДМу

(6)

где Р - угол наклона функции Мэл дин.(ф) к оси абсцисс.

В зоне упругой деформации системы «запорная арматура - электропривод» значение угла |3, а соответственно величина tg|3 будут, является постоянными величинами, зависящими только от конструктивных особенностей запорной арматуры, что позволяет использовать их в качестве электродинамических коэффициентов, описывающих электродинамическую податливость запорного устройства. Данные коэффициенты можно использовать для прогнозирования электродинамических моментов при разных комплектациях управляющих устройств и систем управления.

Значение электродинамической поправки (Аэл.дин.) можно определить как суммарное приращение моментов АМ3+АМТ из формулы (6):

4л.дин= + ДМ; = 1др ■ С<р2 - <р{) (7)

где (фз -фі) - приращение угла поворота подвижного элемента силовой пары «винт - гайка» за время электродинамического выбега, с учетом времени запаздывания на отключение электродвигателя и времени торможения системы после отключения электродвигателя:

<Рз ~ <Рі = С<р2 ~ <Рі) + (<Рз - <Рі) (8)

Первое слагаемое (Ф2-Ф1) соответствует приращению угла за время запаздывания системы управления на отключение:

<рг-ф 1 = Пэлдаз-щ. ■ ■ 360 (°) (9)

где Пэл.дин.зап - число оборотов выходного вала электропривода в период запаздывания системы на отключение. Данное значение будет изменяться пропорционально частоте вращения электродвигателя. При номинальной нагрузке - в точке фі значение пэл.дин.зап приблизительно будет соответствовать 90 - 80% от числа оборотов выходного вала, указанного в технической документации на электропривод, но с увеличением нагрузки по причине увеличения времени запаздывания системы управления на отключение его значение, очевидно, будет стремиться к нулю;

1,а|| - время запаздывания:

= (Ю)

где 1:^ - время задержки на отключение каждого элемента, задействованного в системе управления при отключении электродвигателя (контакторов, микропереключателей, силового реле и т.д.);

ш - количество элементов задействованного в системе управления при отключении электродвигателя.

Второе слагаемое (фз-фг) соответствует приращению угла за счет инерции системы «запорная арматура - электропривод» после отключения электродвигателя:

Ш1 (Л л\

(11)

Расчет данного значения можно получить только после выбора кон-

кретного управляющего устройства, при заданных технических параметрах редуктора и электродвигателя.

С учетов формул (7-10) формула (4) получит следующий вид:

Мн,лда = Мкр.зак. -Тдр ■ (>зл.дин. ■ А1 - 360 ) - №] (12)

На основании изложенного методика определения параметров настройки системы «запорная арматура - электропривод» на отключение с учетом электродинамической составляющей можно представить следующим алгоритмом:

1. Определение электродинамической податливости запорного устройства - значение угла |3 или tg|3 в зоне упругой деформации.

Значения электродинамической податливости можно определить:

а) путем моделирования усилий, возникающих в запорной арматуре в зоне упругой деформации при повороте подвижного элемента силовой пары «винт - гайка» [1];

б) экспериментально с использованием следующей зависимости:

М —М — м

л. - п _ ‘'аЛДККгК ь 5К _ ь/5ЛДЕК£К ‘ ЧЗ:5К /1 о\

<Р*-<Р± пэк-дгэк-Ю1 Д13б0

60

где Мэл дин.эк - электродинамический момент зафиксированный в результате эксперимента; Мн эк - момент настройки на отключение электропривода, заданный при проведении эксперимента; пэк - число оборотов выходного вала электропривода, используемого при эксперименте; Д1Ж - время электродинамического выбега экспериментальной системы (суммарное время включающее: время запаздывания системы на отключение электродвигателя и время остановки подвижных элементов системы после отключения электродвигателя - время свободного выбега).

2. Определение необходимых для обеспечения надежной работы запорной арматуры усилий на основании ТУ или из паспортных данных на соответствующую конструкцию запорной арматуры:

- величину крутящего момента на уплотнение в состоянии закрыто (Мкр.зак), необходимого для обеспечения герметичного перекрытия трубопровода;

- максимальный крутящий момент на выходном валу арматуры при перемещении - момент холостого хода (Мхх).

3. Расчет электродинамической поправки учитывающей только приращение электродинамического момента в период запаздывания системы управления на отключение (ДМ3).

Расчет производится по формуле (9) для выбранного числа оборотов выходного вала электропривода при минимальном времени запаздывания системы управления на отключение (1:зап - пип).

4. Предварительный расчет необходимых значений крутящих моментов электропривода с учетом поправки (ДМ3) без учета инерции элек-

тропривода:

мк.„.дак., = - ДМ, (14)

5. Предварительный выбор типа управляющего устройства в соответствие с пределами регулирования муфты ограничения крутящего момента.

-МКр.ПИП^Мл.ЭЛ.ДНИ.* < -МКр тах (1 5)

где Мкр.тП. Мкр.тах - соответственно минимальная и максимальная граница регулирования муфты ограничения крутящего момента электропривода.

6. Расчет поправки АМТ для выбранного управляющего устройства путем определения приведенного момента инерции выбранной системы «запорная арматура - электропривод».

7. Внесение поправки АМТ и уточнение параметров настройки выбранной системы.

Мн.вдн. = м„л.ди„ - ДМ., (16)

8. Оценка корректности использования в качестве управляющего устройства электропривода, назначенного при предварительном выборе в п.5:

-МКр т;п^Мн эл.дин. <-МКр,тах. (1^)

В случае несоблюдения условия (17) необходимо переназначить тип электропривода и повторно произвести расчеты п.6-п.8.

9. Оценка работоспособности системы при настройки электропривода на крутящий момент отключения с учетом электродинамической поправки по формуле (5).

Наглядно пояснить представленную методику позволит рис.2.

В соответствие с обозначениями, принятыми на рис.2.:

ЯМ) - функция характеризует изменение момента на участке рабочего цикла «открыто -закрыто» до зоны упругой деформации;

^Мэл.дин) - функция характеризует изменение электродинамического крутящего момента;

Р - угол наклона ДМ.)ЛДИ||), зависящий от электродинамической податливости запорной арматуры;

Мпуск - крутящий момент электропривода при пуске системы, который при выполнении обратного цикла «закрыто - открыто» позволит обеспечить срыв запорного устройства из крайнего положения;

ерь фз - приращение угла поворота подвижного элемента силовой пары «винт-гайка» в момент электродинамического выбега, устанавливаемого для конкретной системы «запорная арматура электропривод» в зоне упругой деформации;

ДМ3 + ДМт — электродинамическая поправка для конкретной системы Аэл.ДИН-

Очевидно, что функция ДМ) не является прямолинейной и имеет отличный угол наклона к оси абсцисс, чем Г(МЭл.Дин)- Но с учетом того, что

время задержки системы на отключения составляет 20-80мс, а время выполнения рабочего цикла 10с, отличие углов будут иметь минимальные значения и компенсируются после введение поправки за счет увеличения

* *

приращения угла (ср3 - фі ):

(Фз*-Фі*)>(Фз-Фі) (18)

Рис. 2. Назначение момента настройки электропривода на отключение с учетом электродинамических процессов системы «запорная арматура - электропривод»

Уравнение (18) обусловлено тем, что корректировка параметров настройки электропривода на отключение позволит снизить нагрузки в системе и приблизить значение числа оборотов выходного вала электропривода в период электродинамического выбега к номинальным значениям, что увеличит приращение угла по сравнению со значениями принятыми для определения поправки Аэл.дин-

Адекватность методики подтверждена экспериментально.

Так, для клапана запорного НГ 26524-050МАЭ по ТУ 26-07-1407-2008 при испытаниях на долговечность (3000 циклов) в качестве управляющего устройства взамен электропривода ЭПАС 14.1-11 А (прописан в ТУ) был использован электропривод ЭПАС 10.1-14Б.

В таблице 2 представлены данные указанные в технических условиях ТУ 26-07-1407-2008 на клапан запорный НГ 26524-050МАЭ.

Таблица 2

Проход условный DN (мм) Расчетное давление PN (МПа) Тип привода Величина крутящего момента (Нм) на уплотнение в состоянии Максимальный крутящий момент на выходном валу арматуры при перемещение на (Нм) Частота вращения выходного вала (об/мин )

закрытие открытие

50 11 ЭПАС 14.1-11А 180 250 67 11

Расчет необходимого крутящего момента, для настройки электропривода ЭПАС 10.1 (пределы регулирования 40-120Нм, число оборотов выходного вала 32 об/мин) при управлении запорным клапаном НГ 26524-050МАЭ, производился в соответствии с представленной методикой.

Значение указанного параметра составило:

М н.зл.дин.ЭПАСЮ.! —140 100 Н'м.

По результатам испытаний зафиксированные протечки при использовании в качестве управляющего устройства электропривода ЭПАС 10.1-14D (параметры настройки электропривода на отключение

Мн,3л,дин.закрытие 1ООН-М, Мн эл дНН.открытия 120Н/М) Не ПреВЫСИЛИ ДОПуС-

3

тимого значения 30 см /мин.

Полученные результаты доказывают, что работоспособность клапана на полный назначенный срок работы (3000 циклов или 40 лет) можно обеспечить, значительно снизив параметры настройки электропривода, прописанные в ТУ увеличив скорость выходного вала электропривода.

Таким образом, представленные исследования дают теоретическое и экспериментальное обоснование возможности обеспечение герметичности электроприводной запорной арматуры и снижение времени запирания трубопроводов с газообразным носителем путем уменьшения мощности электропривода (крутящего момента закрытия) с одновременным увеличением скорости выходного вала, что обеспечивает рост электродинамического момента системы «электропривод - арматуры».

Список литературы

1. Плахотникова Е. В. Динамические нагрузки в электроприводной арматуре /Елисеева Т. А.// Международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование» № 5 (62). 2012 С. 72-75.

2. Гуревич Д. Ф. и др: Арматура атомных электростанций: Справочное пособие/Д. Ф. Гуревич, В. В. Ширяев, И. Х. Пайкин.-М.: Энергоиз-дат,1982. - 312 с.

3. СТ ЦКБА 002-2003 Арматура трубопроводная. Задвижки. Методика силового расчета - С. Петербург.: НПФ ЦКБА, 2003. - 69 с.

Плахотникова Елена Владимировна, канд техн. наук, доц,

e_plahotnikova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Протасьев Виктор Борисович, д-р техн. наук, проф., imstulgy@pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

INCREASE OF EFFICIENCY OF DYNAMIC SYSTEMS "STOP VALVES - THE ELECTRIC DRIVE"

E. V. Plahotnikova, V. B. Protasev

To be given in article theoretical and experimental justifications ofpossibility of increase of efficiency of systems "stop valves - the electric drive ", by the accounting of an electrodynamic component at an actuation device choice that allows to lower time of locking of the pipeline with the gaseous carrier at reduction of power and increase in speed of the electric drive and as to lower electrodynamic loadings in system.

Key words: electrodriving stop valves, dynamic loadings, electrodynamics moment,, efficiency.

Plahotnikova Elena Vladimirovna, candidate of technical science, docent, e_plahotnikova@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Protasev Viktor Borisovich, doctor of technical science, professor, imstulgy@pochta.ru, Russia, Tula, Tula State University