Антипомпажные клапаны обычно рассчитываются для худшего случая — аварийного останова, а затем от них требуется управление компрессором в гораздо более распространенных режимах низкого расхода. Клапан, рассчитанный только на случай срабатывания защиты, часто не может обеспечить точное дросселирование вблизи закрытого положения. Результатом является контур рециркуляции с предельными циклами, потери мощности сжатия, горячий рециркуляционный газ и ложные срабатывания при чрезмерной реакции контроллера. Противоположная ошибка еще хуже. Слишком малый, слишком медленный клапан или клапан, работающий по неточной линии помпажа, позволяет машине войти в помпаж при останове. Помпаж повреждает уплотнения, подшипники и рабочие колеса, и это именно тот отказ, которого инженеры по вращающемуся оборудованию больше всего хотят избежать в компрессорной установке.

В этой статье рассматриваются вопросы расчета байпасных клапанов, ограничения времени отклика и картирование линии помпажа. В конце приводится контрольный список для проверки проекта и ввода в эксплуатацию.

Контекст стандартов и требований

Ни один стандарт не предписывает единый размер антипомпажного клапана, поэтому инженер опирается на несколько документов:

  • API 617 охватывает осевые и центробежные компрессоры, а также турбодетандер-компрессоры. Он является основой для кривых производительности поставщика, точки помпажа и номинальных условий, которые являются исходными данными для всего нижеследующего.
  • API 670 охватывает системы защиты оборудования. Защиты по вибрации и положению сосуществуют с антипомпажным контроллером, и они должны быть скоординированы так, чтобы защитный останов не лишил байпасный клапан возможности защитить машину.
  • IEC 61511 применяется, когда действие антипомпажного или связанного с остановом клапана относится к функции функциональной безопасности в технологическом секторе. В этом случае время хода клапана, испытания на частичный ход и интервалы контрольных испытаний становятся проверяемыми параметрами проектирования, а не просто предпочтениями настройки.
  • IEC 60534-2-1 содержит уравнения для расчета пропускной способности регулирующих клапанов в установленных условиях. Уравнения стандартны, но работа по рециркуляции компрессора имеет необычные условия на входе и выходе, поэтому их применение требует экспертной оценки.

Данные по помпажу от поставщика компрессора, ограничения алгоритмов поставщика системы управления и философия останова лицензиара вместе определяют целевые показатели производительности.

Понимание задач байпасного клапана

Антипомпажное регулирование смещает рабочую точку от границы помпажа путем возврата нагнетаемого газа на всасывание. В техническом документе Honeywell от мая 2022 года по расчету байпасных клапанов контур рециркуляции описывается как клапан плюс трубопроводы рециркуляции апстрим и даунстрим, и каждый элемент влияет на производительность. Пропускная способность клапана важна, но также важны:

  • объем газа, запертого между нагнетанием и клапаном
  • перепад давления в контуре
  • повышение температуры рециркулирующего газа, если контур не охлаждается
  • динамический отклик привода, позиционера и импульсных трубок

У клапана есть две разные задачи, и они направляют его конструкцию в разные стороны.

Аварийный режим: останов и срабатывание защиты

При останове компрессор теряет мощность привода, в то время как сторона нагнетания все еще находится под давлением. Газ течет через машину в обратном направлении, если клапан не откроется достаточно быстро, чтобы разгрузить сторону нагнетания. Эта задача требует большой пропускной способности и быстрого открытия.

Регулирующий режим: пуск, работа на пониженной нагрузке и технологические возмущения

При нормальной эксплуатации через клапан проходят небольшие расходы, часто при высоком отношении давлений, и он должен позиционироваться точно. Эта задача определяет требования к характеристике, диапазону регулирования и качеству позиционера.

Расчет байпасного клапана

Начинайте с расхода помпажа, а не с расчетного расхода

Расчет по расходу помпажа дает отправную точку для аварийного случая. Это не окончательный ответ по трем причинам:

  • Расход помпажа должен оцениваться при худшем сочетании давления всасывания, температуры, молекулярной массы газа и скорости вращения. Расход помпажа в фактических объемных единицах варьируется в зависимости от всех этих факторов.
  • Это не говорит о том, какой перепад давления на самом деле видит клапан. В режиме рециркуляции может быть низкий перепад при высоком расходе и высокий перепад вблизи закрытого положения, поэтому могут возникать как критические, так и некритические режимы течения.
  • Это не проверяет, сможет ли переразмеренный клапан по-прежнему управлять минимально необходимым расходом рециркуляции.

Значительное завышение размера смещает рабочее положение к первым нескольким процентам хода. Там небольшие ошибки привода превращаются в большие изменения расхода.

Явно проверьте нижний предел

Определите самый низкий расход рециркуляции, который когда-либо потребуется системе управления. Это может быть пуск или режим поддержания горячей рециркуляции. Затем подтвердите, что выбранное внутреннее устройство может пропускать его при контролируемом открытии. Если нет, вариантами являются:

  • клапан с лучшим диапазоном регулирования
  • схема с разделением диапазонов (split-range) с малым клапаном для регулирования и большим для остановов
  • внутреннее устройство с характеристикой, лучше соответствующей линии регулирования

Каждое из этих изменений меняет основу расчета, поэтому проверяйте их вместе.

Устанавливайте клапан так, чтобы сохранить его пропускную способность

Рассчитанная пропускная способность мало что значит, если установка ее ограничивает. Проверьте:

  • размер линии рециркуляции относительно размера выхода клапана, чтобы избежать запирания потока в трубе даунстрим или переходе
  • шум и вибрацию даунстрим от клапана при самом высоком перепаде давления
  • охлаждение газа, чтобы рециркулирующий газ не повышал температуру всасывания и не провоцировал помпаж машины
  • объем между обратным клапаном нагнетания и входом байпасного клапана

Пределы времени срабатывания

Время срабатывания — это та часть проекта, которую проще всего специфицировать неверно. Требование исходит от компрессора и трубопроводов, а не из общего значения времени хода.

Подумайте об этом так. После срабатывания защиты рабочая точка движется к помпажу со скоростью, определяемой объемами запертого газа и выбегом машины. Клапан должен начать движение, обеспечить достаточный расход и сбросить давление нагнетания до того, как точка достигнет границы помпажа. Общее время включает:

  1. Сканирование контроллера и логическую задержку
  2. Задержку соленоида или быстродействующего сброса
  3. Динамику привода и бустера объема
  4. Ход клапана до требуемой точки производительности
  5. Газодинамику в линии рециркуляции

Что это означает на практике:

  • Быстро открывайте клапан при срабатывании защиты, но закрывайте его медленнее в режиме регулирования, чтобы избежать возмущений давления и повторного входа в помпаж.
  • Указывайте подачу воздуха к приводу, импульсные трубки, бустеры и устройства быстрого выхлопа как часть требований к времени срабатывания. Трубки недостаточного размера могут стать основной причиной мертвого времени.
  • Проверяйте ход на месте, с реальной подачей воздуха и измеренной обратной связью позиционера. Не полагайтесь только на заводские данные.

Картирование линии помпажа

От кривых поставщика к линии управления

Кривая поставщика дает границу помпажа при определенных условиях. Контроллеру нужна линия в координатах, которые остаются действительными при изменении условий на всасе, обычно это приведенные или инвариантные переменные. Линия управления затем смещается от границы помпажа на запас прочности. Этот запас является проектным решением, продиктованным точностью измерений, динамикой процесса и тем, насколько хорошо была проверена линия.

Ключевые моменты:

  • Больший запас безопаснее, но оставляет меньше полезного рабочего диапазона и означает большую рециркуляцию.
  • Меньший запас требует лучшего измерения расхода, более качественной проверки линии помпажа и более быстрого клапана.
  • Резервная линия или линия защиты, установленная ближе к границе помпажа, поддерживает команду на быстрое открытие, если рабочая точка пересекает ее.

Полевая проверка

Кривая поставщика — это прогноз. Фактическая точка помпажа может отличаться из-за входных трубопроводов, свойств газа, износа и калибровки приборов. Контролируемое полевое испытание на помпаж является стандартным способом подтверждения линии, но оно несет риски. Подходите к нему с:

  • письменной процедурой, согласованной с эксплуатацией, поставщиком и инженерами по автоматизации
  • контрольно-измерительными приборами для быстрого сбора данных по расходу, давлению, температуре и вибрации
  • подходом малыми шагами с заранее определенным действием по прерыванию
  • консервативным подходом к первой индикации помпажа

После испытания запишите фактические точки помпажа относительно кривой поставщика, затем обновите линию помпажа и запас контроллера для соответствия.

Настройка контура управления

Антипомпажный контроллер сочетает в себе первичное ПИ-регулирование с быстрым разомкнутым откликом, когда рабочая точка пересекает линию управления. Настройка должна следовать за подбором размера клапана, так как коэффициент усиления зависит от характеристики клапана и рабочего положения.

  1. Сначала подтвердите приборы: диапазоны датчиков, демпфирование, частоту сканирования и точность расходомерных элементов.
  2. Охарактеризуйте клапан с помощью тестов хода и ступенчатых тестов в нескольких положениях, отмечая мертвое время, гистерезис и скорость хода.
  3. Установите пропорциональное и интегральное действие для стабильного регулирования в типичном положении рециркуляции, затем проверьте на нижнем и верхнем пределах.
  4. Настройте быстрый отклик на открытие так, чтобы он преодолевал мертвое время, не вызывая повторных циклов.
  5. Протестируйте сценарий срабатывания защиты в условиях, имитирующих данные с площадки.

Колебания вокруг линии управления обычно указывают на одну из трех вещей: клапан завышенного размера или имеющий высокий коэффициент усиления вблизи закрытого положения, запас слишком близок к границе помпажа для шума измерений или коэффициент усиления контроллера не соответствует характеристике клапана.

Иллюстративный сценарий

Этот сценарий является иллюстративным и не взят из перечисленных источников. Технологическая линия компрессии газа имеет рециркуляционный клапан, размер которого подобран по правилу поставщика компрессора: пропускать от 1.8 до 2.2 максимального расхода помпажа. Если максимальный расход помпажа выражен как 1.0 нормированная единица расхода, клапан должен пропускать от 1.8 до 2.2 нормированных единиц расхода. Во время пусконаладки завод обнаруживает, что клапан совершает циклы при нормальной работе с низкой нагрузкой, хотя испытания на срабатывание защиты проходят удовлетворительно.

Выполните проверки по порядку:

  1. Постройте график положения клапана во время колебаний. Если он находится близко к закрытому состоянию, клапан работает в наиболее чувствительной части своего хода.
  2. Проверьте характеристику. Равнопроцентный или быстрооткрывающийся затвор имеет особенно низкий или высокий коэффициент усиления в этом диапазоне, и осцилляция это покажет.
  3. Добавьте характеризацию контроллера или уменьшите коэффициент усиления при малых открытиях.
  4. Если клапан все еще не может удерживать требуемый низкий расход, рассмотрите возможность установки регулирующего клапана меньшего размера в режиме разделенного диапазона с большим отсечным клапаном.
  5. Повторите испытание на срабатывание защиты, чтобы подтвердить, что аварийное реагирование не было нарушено.

Урок: успешное испытание на срабатывание защиты не доказывает эффективность регулирования, и наоборот.

Безопасность при работе с клапанами и КИП

Любые работы, связанные со вскрытием антипомпажного клапана, соединений привода или технологической части, должны проводиться в соответствии с системой нарядов-допусков объекта:

  • изолировать линию рециркуляции, используя двойную отсечку и дренаж (double block and bleed), где это возможно
  • сбросить давление через утвержденный маршрут, безопасно стравливая газ на факел или в назначенную систему
  • проверить отсутствие энергии с помощью манометров и дренажных точек перед разгерметизацией
  • применить LOTO к клапану, линии подачи воздуха к приводу и приводу
  • рассматривать зону как взрывоопасную зону, используя сертифицированные инструменты и испытательное оборудование
  • использовать переносные и стационарные детекторы газа на протяжении всех работ

Накопленная энергия привода сама по себе является источником опасности. Энергия пружины и сжатого воздуха должна быть сброшена и проверена перед разборкой.

Анализ проекта и чек-лист ввода в эксплуатацию

  • Расход помпажа оценен при худшем сочетании давления всасывания, температуры, состава газа и скорости.
  • Пропускная способность клапана рассчитана для аварийных условий, с документированием основ расчета, включая использование рекомендаций производителя от 1.8 до 2.2, если применимо.
  • Минимально требуемый расход рециркуляции проверен на соответствие управляемому открытию клапана.
  • Характеристика клапана выбрана намеренно, с компенсацией контроллера для равнопроцентных или быстрооткрывающихся характеристик.
  • Объем нагнетания, размер линии рециркуляции и охлаждение газа учтены в анализе отклика.
  • Динамическое моделирование или эквивалентный анализ использованы для установления требований к времени отклика.
  • Подача воздуха, импульсные трубки, бустеры и выхлоп рассчитаны исходя из требований к времени хода.
  • Диапазоны приборов, частота сканирования и фильтрация подтверждены перед настройкой.
  • Линия помпажа определена в инвариантных координатах, с документированием запаса и резервной линии.
  • Процедура полевых испытаний на помпаж утверждена, критерии прерывания и КИП готовы.
  • Сценарии срабатывания защиты, регулирования и пуска протестированы после настройки.
  • Результаты испытаний клапана, позиционера и соленоида записаны в качестве базовых показателей для будущего обслуживания.
  • Требования к функциональной безопасности согласованы с IEC 61511, если клапан является частью SIF.

Заключение

Подбор размера антипомпажного клапана — это компромисс между аварийной мощностью и регулирующим управлением. Начните с рекомендаций производителя по расходу помпажа, затем проверьте управляемость при малых расходах, характеристики, влияние монтажа и время отклика на реальном агрегате. Относитесь к линии помпажа как к измеряемой величине, а не просто как к прогнозу поставщика, и настраивайте контроллер только после того, как будет определено поведение клапана.

В качестве следующего шага соберите карты компрессора, листы данных клапанов, объемы трубопроводов и спецификации КИП для вашего агрегата. Затем выполните вышеуказанный чек-лист в ходе совместного анализа со специалистами по вращающемуся оборудованию, системам управления и эксплуатации. Если ответы неясны, закажите динамическое исследование до начала следующего капитального ремонта.