ball valve
Tests of flow characteristics for a model ball valve
Wprowadzenie
W wielu procesach przemysłowych wymagana jest uważna kontrola i regulacja strumienia płynu. Utrzymanie jego wartości na właściwym poziomie oraz płynna jego zmiana warunkuje dotrzymanie wyznaczonych parametrów technologicznych a tym samym poprawne prowadzenie procesu. Od układów regulacji wymaga się stabilności, krótkich czasów regulacji oraz minimalizacji przeregulowań. Na działanie takiego układu wpływa charakterystyka obiektu regulacji oraz układu pomiarowego i różnego rodzaju zakłóceń. Niewłaściwe działanie układu regulacji w systemie przepływowym może powodować bardzo niekorzystne zjawiska tj. uderzenia hydrauliczne czy pulsacje ciśnienia, które mogą doprowadzić do uszkodzenia lub zniszczenia armatury i elektronicznej aparatury pomiarowej [1-4].
Jednym z elementów układów regulacji przepływu, które wprowadzają często znaczne problemy regulacyjne są niekorzystne charakterystyki przepływowe zaworów.
Charakterystyka konstrukcyjna determinuje przebieg podstawowej charakterystyki przepływowej elementu nastawczego, która jest definiowana, jako związek między strumieniem płynu a stopniem otwarcia elementu nastawczego przy niezmiennym spadku ciśnienia. Do jej opisu stosuje się powszechnie współczynnik przepływu KV będący wielkością międzynarodową, który wyznaczany jest eksperymentalnie [5, 6]. Ta sama charakterystyka konstrukcyjna elementu nastawczego warunkuje również rzeczywistą charakterystykę przepływową, która w przeciwieństwie do podstawowej nie jest rejestrowana w stanie ustalonym. Zatem, zawiera ona w sobie elementy dynamiki, które nie są prezentowane w sposób jawny.
Należy również pamiętać, że w charakterystykach przepływowych zaworów kulowych występuje, ze względu na ich rozwiązania konstrukcyjne, strefa nieczułości określana jako kąt martwy φ0 (1), poniżej którego pole przepływowe zaworu jest zerowe [7]. Zatem, kąt sterujący w zaworze kulowym zawarty jest w przedziale φ ∈ (φ0, 90°), a konstrukcja każdego takiego zaworu musi spełniać warunek rk ≥ √2 — . W [7] wykazano również, że wraz ze wzrostem stosunku średnic rk minimalny kąt otwarcia φ0 wzrasta.
gdzie:
rk – stosunek średnicy kuli do średnicy króćca.
Celem publikacji było przedstawienie czynników, które w dość ukryty sposób powodują modyfikację charakterystyki przepływowej zaworu czyniąc ją niekorzystną dla układu regulacji i wprowadzają przez to utrudnienia w poprawnym prowadzeniu procesu technologicznego, w którym jakość zależy od właściwego sterowania strumieniem płynu.
Badania przemysłowe
Ze względu na poprawę jakości napełniania cystern kolejowych kwasem siarkowym, ze wskazaniem możliwości modernizacji systemu i eliminacji problemów regulacyjnych, przeprowadzono badania instalacji nalewaków (Rys. 1) układu stacji pełnienia. Pomiary eksperymentalne oraz modelowanie przepływu w instalacji dystrybuowania kwasu siarkowego zaprezentowano w [8].
Na Rys. 2a przedstawiono przykładowe wyniki zależności strumienia masy od stopnia otwarcia zaworu. Zaprezentowane charakterystyki zostały uzyskane dla następującej procedury pomiarowej – przejście zaworu od stopnia otwarcia 0 % do ok. 45 %, zatrzymanie na ok. 40 s a następnie zamykanie do uzyskania położenia 0 % oraz ponowne zatrzymanie na ok. 40 s. Zaobserwowano nietypowy kształt zarejestrowanych charakterystyk (szeroka histereza), które znacznie odbiegały od charakterystyk przepływowych (Rys. 2b) podawanych w normach i literaturze [9-11]. Podobnie szerokie histerezy przedstawiono w [12]. W publikacji tej badany był wpływ procesu otwierania i zamykania zaworu kulowego na wydajność i charakterystykę przepływu jednakże nie wytłumaczono tych nietypowych charakterystyk (Rys. 3) a skupiono się jedynie na analizie zmian ciśnienia przed i za zaworem oraz na zawirowaniach w tym obszarze.
Na podstawie kart katalogowych zaworu (zainstalowanego w instalacji przemysłowej) oszacowano, że kąt martwy wynosi ok. 11º (12,2 % otwarcia). Przeprowadzono również w tym obszarze badania stanowiskowe, które potwierdziły wartość tego kąta. Z analizy Rys. 2a wynika, że w procedurze otwierania przepływ następuje od ok. 15 % stopnia otwarcia. Wartość kąta martwego powinna zostać potwierdzona w procedurze zamykania, co jednak nie zostało spełnione. Można zauważyć, że po przekroczeniu kąta martwego 11º w procedurze zamykania nadal rejestrowany jest przepływ, który fizycznie już nie powinien mieć miejsca, gdyż zawór jest zamknięty.
Na podstawie otrzymanych nietypowych wyników badań przemysłowych i przesłanek literaturowych przeprowadzono badania laboratoryjne, których celem była próba zidentyfikowania występującego zjawiska.
Technological diagram of pourers of sulfuric acid (VI)
Mass flow as a function of valve opening
![Fig. 3. Flow rate as a function of the reduced degree of valve opening [12]](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2019/12/Badaniacharakterystykiprzeplywowej.rys3_.jpg "Badaniacharakterystykiprzeplywowej.rys3")
Flow rate as a function of the reduced degree of valve opening [12]
Stanowisko badawcze
Badania laboratoryjne przeprowadzono w Katedrze Informatyki Przemysłowej Politechniki Śląskiej zgodnie z procedurą badawczą IEC – 534/ISA S75 (PN-EN 1267) na specjalistycznym stanowisku badawczym (spełniającym warunki normy PN-EN 60534-2-3) do określania m.in. podstawowych charakterystyk przepływowych zaworów regulacyjnych. Schemat stanowiska przedstawiono na Rys. 4, na którym wyróżniono następujące pomiary: p – ciśnienie, ∆p – spadek ciśnienia, V˙ – objętościowy strumień płynu, T – temperatura, x – stopień otwarcia zaworu. Stanowisko (Rys. 5) wyposażono w kilkanaście przyrządów pomiarowych, w tym przyrządów o wysoko zaawansowanej technice pomiarowej: ultradźwiękowej, elektromagnetycznej i sensorycznej, zapewniającej dużą dokładność pomiarów. Stanowisko zostało wyposażone w sterownik oraz system komputerowy umożliwiający modyfikację prowadzonych badań wg autorskiego oprogramowania napisanego w przemysłowym środowisku programistycznym LabVIEV.
Diagram of the research stand for determining the flow characteristics of valves
Research stand for the flow armature testing
Badania laboratoryjne i ich analiza
W badaniach laboratoryjnych charakterystyki elementu nastawczego, wykorzystano zawór kulowy regulacyjny (ZKR) z kształtowanym otworem o stałoprocentowej charakterystyce regulacyjnej. Zastosowano również stałoprędkościowy siłownik obrotowy (0–90º) NRY24-SR [13] do automatycznego sterowania tym zaworem wraz z opcją sterowania ręcznego.
W badaniach wykorzystywano pełny zakres roboczy zaworu. Cykl badawczy w przygotowanej procedurze polegał na automatycznym przejściu od pozycji zamknięcia zaworu do maksymalnego jego otwarcia, wyczekaniu w tym położeniu ok. 40 s, następnie przeprowadzeniu procesu zamykania i odczekaniu ponownie 40 s. Procedurę tę określono jako otwórz-zamknij i w opcji automatycznej wprowadzono dla niej skrót opisowy (O/Z). Czas przejścia otwieranie lub zamykanie zaworu wynosił ok. 35 s. i był zgodny z danymi producenta.
W wyniku badań w procedurze (O/Z) otrzymano charakterystykę przedstawioną na Rys. 6a i można zauważyć, że:
- przebieg otwierania nie pokrywa się z przebiegiem zamykania;
- przebieg zamykania nie jest właściwy, gdyż zawory kulowe wyróżnia tzw. kąt martwy (1), co oznacza, że poniżej wartości tego kąta nie występuje przepływ [7]. Oszacowany kąt martwy dla zaworu ZKR wynosi φ0 = 16,7º;
- charakterystyka zaworu ZKR uzyskana w badaniach laboratoryjnych (Rys. 6a) potwierdziła nietypową postać charakterystyki otrzymanej podczas badań przemysłowych (Rys. 6b).
Charakterystyki zaprezentowane na Rys. 6 są bardzo niewygodne w procesie sterowania strumieniami płynów. W takim przypadku system regulacyjny ma duże problemy z ustawieniem odpowiedniej wielkości regulowanej, a w układzie bardzo często występuje tzw. pompowanie.
Dla wyjaśnienia obserwowanych sprzeczności przeprowadzono kolejne badania. Polegały one na manualnym sterowaniu zaworem poprzez nagłe i całkowite otwarcie z pozycji zamknięcia, wyczekaniu 40 s i następnie jego zamknięciu oraz ponownym odczekaniu 40 s. Ta procedura badawcza została określona jako otwarcie-zamknięcie w systemie ręcznym i oznaczona jako (O/Z)R. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że opóźnienie w charakterystyce przepływowej nie jest powodowane w znaczący sposób przez przetwornik położenia kątowego zaworu. Jego odpowiedź na zaistniałą zmianę położenia jest natychmiastowa, a wprowadzane opóźnienie nie jest zbyt istotne dla całego procesu pomiaru.
Wskazuje się natomiast, że nietypowa postać charakterystyk (Rys. 6) jest spowodowana przez niewłaściwe zestrojenie przepływomierz – aktuator. Przedstawione charakterystyki mogą świadczyć o nieodpowiednim dopasowaniu prędkości działania aktuatora i dynamiki układu przetwarzającego wartość strumienia płynu. Z tego względu przeprowadzono analizę dynamiki przepływomierza w procedurze (O/Z) oraz (O/Z)R, w której wykorzystano aproksymację charakterystyk czasowych z użyciem funkcji inercyjnej I-rzędu. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że stała czasowa przepływomierza jest zbyt duża (ok. 14 s), co wpływa znacząco na czas reakcji pomiarowej, a czas przejścia napędu pomiędzy dowolnymi punktami położenia – zbyt krótki.
Test characteristics for the procedure (O/Z) with indication of the dead angle for:vZKR valve; b) valve from the industrial system
Tests of dynamics of flowmeter indications and drive position angle for (O/Z)Stop
Characteristics of procedures (O/Z) and (O/Z)Stop with characteristic points marked
Characteristics of procedure (O/Z)T for different flowmeter time constants
Aby sprawdzić wpływ prędkości aktuatora na uzyskiwaną charakterystykę przepływową należałoby zastosować aktuator o małej prędkości przejścia lub zmniejszyć tę prędkość, jeżeli istnieje możliwość takiego programowania. Niestety NRY24-SR jest aktuatorem stałoprędkościowym i z tego powodu przygotowano sterującą procedurę wydłużenia czasu jego całkowitego przejścia, polegającą na chwilowym zatrzymywaniu aktuatora w zaprogramowanych położeniach kątowych. Procedurę tę oznaczono jako (O/Z) Stop, a wyniki badań dynamiki przepływomierza i aktuatora przedstawiono na Rys. 7. Charakterystykę przepływową uzyskaną według tej procedury zamieszczono na Rys. 8. Analizując tę charakterystykę można zauważyć „zbliżenie” się przebiegów dla operacji otwierania i zamykania w punktach zatrzymywania napędu. Pozwala to przypuszczać, że przy odpowiednio małej prędkości działania aktuatora lub przy małej stałej czasowej przepływomierza, nie byłoby różnicy w przebiegu procesu otwierania i zamykania, a obie te charakterystyki pokryłyby się. Punkty „zetknięcia” się przebiegów otwierania i zamykania zaworu można określić, jako punkty charakterystyczne (Rys. 8), wyznaczające tzw. charakterystykę nominalną, która powinna być uzyskana przy odpowiednim doborze aktuatora i przepływomierza.
Wykorzystując zidentyfikowane punkty charakterystyczne, można wyznaczyć funkcję aproksymującą. Funkcja ta będzie przybliżeniem charakterystyki nominalnej dostarczając informacji o wartości przepływu dla wybranego otwarcia zaworu, jak również może umożliwić poprawne przeprowadzenie procesu regulacji po wprogramowaniu jej do systemu sterowania. Na podstawie pomiarów zaproponowano następującą postać funkcji aproksymującej punkty charakterystyczne
gdzie:
a, b, c – współczynniki funkcji odpowiednio: l/(h°2), l/(h°), l/h;
ϕ0 – kąt martwy, º; V˙ max – maksymalny strumień technologiczny, l/h;
δ – wartość przesunięcia funkcji, º;
γ – współczynnik narastania funkcji, º. Współczynniki a, b, c oraz δ i γ są dobierane indywidualnie do każdego typu zaworu kulowego. Można je wyznaczyć wykorzystując odpowiednie metody matematyczne.
Zaproponowana funkcja (2) nie jest wiążącą, a jedynie propozycją. Zależnie od charakterystyki zarejestrowanej podczas pomiarów rozruchowych instalacji technologicznej, można dobrać jakąkolwiek inną funkcję. Należy zauważyć, że proponowana zależność jest zalecana tylko do zakresu kąta otwarcia 70º. W rzeczywistości, dla tradycyjnych zaworów kulowych, już od wartości kąta co najmniej 60º, aż do kąta maksymalnego otwarcia występuje stan nasycenia, w którym strumień płynu praktycznie nie zmienia swojej wartości. Zatem jest to obszar niesterowalny i nie powinien być rozważany w procedurach automatyki.
Na podstawie przeprowadzonych badań, szczególnie według procedury (O/Z)Stop, można zauważyć, że znaczący wpływ na uzyskiwane charakterystyki ma również wartość stałej czasowej przepływomierza. Zatem kolejną możliwością poprawy jakości pomiarowej jest przeprogramowanie przepływomierza w kierunku niskiej wartości stałej czasowej – pod warunkiem, że taka funkcjonalność jest udostępniona. Jeżeli nie jest to możliwe to należałoby rozważyć zmianę tego urządzenia z uwzględnieniem proponowanych wytycznych.
Laboratoryjne stanowisko badawcze umożliwia wykonywanie pomiaru strumienia cieczy według trzech metod. W jednej z nich zastosowano przepływomierz elektromagnetyczny MAGFLO® firmy Siemens Flow Instruments A/S składający się z czujnika przepływu MAG5100W oraz przetwornika pomiarowego MAG6000 o dokładności pomiarowej 0,25%. Przetwornik sygnału charakteryzuje się możliwością nastawiania stałej czasowej wyjścia pomiarowego w zakresie (0,1–30) s [14]. Ta metoda pomiarowa koresponduje do instalacji przemysłowej (Rys. 1, Rys. 2a) i dlatego została wybrana do przeprowadzenia badań i analizy.
Wykonano badania wpływu stałej czasowej przepływomierza na uzyskiwaną rzeczywistą charakterystykę przepływową. Zastosowano procedurę (O/Z), ale dla jej wyróżnienia wprowadzono ogólne oznaczenie (O/Z)T. Pomiary prowadzono dla następujących stałych czasowych: 10, 5, 2 i 0,1 sekundy, a wyniki zaprezentowano na Rys. 9.
Jak można zauważyć zmniejszanie stałej czasowej wyjścia pomiarowego przepływomierza poprawia jakość pomiarową urządzenia – uzyskuje się znaczące zmniejszenie różnicy wskazań przebiegów otwarcia i zamknięcia dla charakterystyki przepływowej.
Podsumowanie
Na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych wyciągnięto następujące wnioski:
- analiza wyników serii eksperymentów wykazała nietypowy kształt charakterystyk strumienia płynu w funkcji stopnia otwarcia zaworu, znacznie odbiegający od typowych charakterystyk przepływowych podawanych publikacjach literaturowych;
- Zastosowanie napędu „wolniejszego”, czyli o dłuższym czasie przejścia, zawęża charakterystykę w sensie zmniejszenia różnicy wskazań przepływu pomiędzy przebiegiem otwierania i zamykania zaworu;
- wprowadzenie chwilowych zatrzymań napędu znacząco przybliża wskazania przepływu dla przebiegu otwierania i zamykania zaworu, aż do ich wyrównania;
- zamiana aktuatora stałoprędkościowego na zmiennoprędkościowy znacząco poprawiłaby kształt charakterystyki przepływowej zaworu. Takie rozwiązanie jest bardziej wygodne w porównaniu do rozwiązania polegającego na dobieraniu aktuatora stałoprędkościowego z właściwym czasem przejścia;
- zastosowanie szybszego w działaniu przetwornika pomiarowego w przepływomierzu lub przeprogramowanie stałej czasowej dla wyjścia pomiarowego poprawia charakterystykę przepływową przez co uzyskuje się polepszenie jakości procesu regulacji;
- na podstawie przeprowadzonych eksperymentów wg trzech typów procedur (O/Z), (O/Z)Stop i (O/Z)T wykazano, że niewłaściwe zestrojenie układu pomiarowo-sterującego w systemach przepływu płynów skutkuje problemami w procedurach regulacyjnych i system zarządzający nie jest w stanie dotrzymać parametrów nastawczych, co objawia się często tzw. zjawiskiem pompowania napędem.
L I T E R AT U R A
[1] Yuan Q., Li P.: Using steady flow force for unstable valve design: modeling and experiments. “Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control”, Vol. 127, 2005, 451-462.
[2] Rogula J.: The Influence of Seat Fatigue Test on the Leakage in Ball Valve. “Procedia Engineering”, Vol. 39, 2012, 91-97.
[3] Amirante R., Moscatelli P.G., Catalano L.A.: Evaluation of the flow forces on a direct (single stage) proportional valve by means of a computational fluid dynamic analysis. “Energy Conversion and Management”, Vol. 48, 2007, 942-953.
[4] Cho T.D., Yang S.M., Lee H.Y., Ko S.H: A study on the force balance of an unbalanced globe valve. “Journal of Mechanical Science and Technology”, Vol. 21, No. 5, 2007, 814-820.
[5] Puszer A., Tomeczek J.: Nowa generacja elementów regulacyjnych mediów gazowych dla hutniczych pieców grzewczych. Hutnik Nr 11 (2001) 430 – 435.
[6] Figiel E., Szaflik W.: Dobór zaworów regulacyjnych. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, Vol. 1 (2006) 12-17.
[7] Puszer A., Wnęk M.: Charakterystyki regulacyjne zaworów kulowych. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja Nr 1 (2012) 33-35.
[8] Gil S., Wnęk M, Łudzień R.: Przepływowy model instalacji dystrybuowania kwasu siarkowego. INSTAL, nr 12 (2018) 32-36.
[9] PN-EN 60534-2-3: Przemysłowe zawory regulacyjne. Wydajność przepływowa. Procedury badań. PKN, Warszawa 2001.
[10] Tomeczek J., Puszer A., Wnęk M.: Sposób kształtowania regulacyjnych charakterystyk przepływowych elementów nastawczych strumienia płynu. Pomiary Automatyka Kontrola Vol. 53, Nr 11 (2007) 38-43.
[11] Wiśniowicz A.: Charakterystyki przepływowe armatury odcinającej. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, Nr 4 (2004) 122-124.
[12] Cui B., Zhe Z., Zhu Z., Wang H., Ma G.: Influence of opening and closing process of ball valve on external performance and internal flow characteristics. Experimental Thermal and Fluid Science Vol. 80 (2017) 193–202.
[13] https://www.belimo.pl/pl/pl/index.cfm (17- 11-2019)
[14] www.automatyka.siemens.pl (17-11-2019).