|
Регулирующие клапаны являются наиболее часто используемыми элементами, целенаправленно влияющими на производственные процессы и управление ими. Клапаны являются промежуточным звеном между электронными технологиями управления и управляемой (рабочей) средой. Они, регулируя параметры рабочей среды, контролируют непрерывное протекание производственного процесса и связывают между собой его отдельные фазы. Другие регулирующие клапаны, используемые, например в нагревательно–охладительных контурах, не так существенно влияют на процесс.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕГУЛИРУЮЩИХ КЛАПАНОВ
 Промышленные регулирующие клапаны, с одной стороны, являются участниками цифрового обмена данными о протекании технологического процесса, а с другой, – сами осуществляют промышленный процесс.
Во времена цифровых технологий и моделирования средств управления рабочим процессом, регулирующие клапаны, с точки зрения технологий контроля, недостаточно освещены. По существу, мы имеем дело с частью трубопровода, влияющей на ход всего технологического процесса. Перепад давления в клапане является необходимым условием осуществления его функции управления и проявляется как потеря энергии в энергетическом балансе производственного процесса. Однако контролируемое падение давления является первоочередной задачей клапана, например, при разгерметизации сосудов высокого давления.
На рисунке справа, показаны основные детали современного регулирующего клапана.
 При разработке регулирующего клапана, вне зависимости от его назначения, необходимо принять во внимание четыре аспекта:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА
Первостепенной и, в тоже время, наиболее сложной задачей в разработке проекта регулирующего клапана является определение его рабочих параметров. Точность расчетов особенно важна, так как именно на этой стадии определяются параметры трубопровода, клапана и его деталей. В то же время, нужно принять во внимание компоненты, установленные до и после регулирующего клапана, разделяющие производственный процесс на отдельные участки. Регулирующий клапан, в первую очередь, всегда является компонентом, управляющим потоком. Поэтому давление, возникающее до и после клапана, определяется элементами, установленными выше и ниже него, и их характеристиками. То, что обычно применяется в технологиях эффективного и экономичного управления, также применяется и здесь, а именно – оптимально управляемый контур.
При проектировании регулирующего клапана, помимо нормальных рабочих условий, нельзя не учитывать особенности его работы в специальных и экстремальных условиях. Среди них – поведение клапана в случае управляемого отключения (функция перекрытия, уплотнения), а также поведение в случае аварийной ситуации. Существенным параметром является герметичность клапана в закрытом положении. Здесь важно внести поправку к упомянутым требованиям. С точки зрения разработки конструкции, функции управления и герметизации противоречат друг другу. Но этого можно избежать привлечением дополнительных ресурсов.
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ КЛАПАНА (КОЭФФИЦИЕНТ ПОТОКА)
Методы расчета пропускной способности (коэффициента потока), обозначаемой веичиной Kv, описаны во многих публикациях. В отличие от величины E, описывающей гидравлическое сопротивление каждого элемента трубопровода, величина Кv используется для характеристики регулирующей арматуры и определяет пропускную способность клапана в м3/час в стандартных условиях (вода при температуре 20°С, перепад давления 1 бар). Величина Kvs (номинальная пропускная способность) – это значение Kv клапана при номинальных условиях. В американских стандартах для определения пропускной способности клапана обычно используется величина Сv. Она измеряется в gpm (галлон в минуту) при перепаде давлений 1 psi (фунт/кв.дюйм). Эти величины связаны соотношением Cv 1 =0,865 Kv. Сегодня для удобства таких вычислений используются исключительно расчетные программы. Для приблизительных же расчетов применяются эмпирические формулы.
ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ КЛАПАНА
Передаточная функция, описывающая отношение между входным и выходным сигналом, является существенной для конструкции клапана. Что же в действительности является выходным сигналом для регулирующего клапана? Подлежащие регулированию параметры процесса, такие как давление или температура, являются результатом регулирования потока, осуществляемого клапаном, а это, в свою очередь, определено процессами дросселирования. Таким образом, статическая передаточная функция описывает зависимость между входным сигналом и площадью дросселирования. Ход клапана (точнее, положение плунжера) – существенный промежуточный параметр этой последовательности сигналов. Конструкция плунжера клапана, в соответствии с регулированием хода, обеспечивает большую или меньшую область дросселирования, от начального значения до его максимальной величины. Отношение максимального значения к начальному называется амплитудой (диапазономизменений). Оно определяет, возможно ли достичь требуемых рабочих условий.
 Характер изменений между этими значениями описывается характеристикой клапана. Расходная характеристика – зависимость между коэффициентом пропускной способности и положением плунжера. Выбор характеристики – предмет многих теорий. Но на практике обычно выбирают между линейной и равнопроцентной характеристиками. Так осуществляется контроль на всём рабочем диапазоне.
На рисунке показан пример управления головками разбрызгивания, применяющимися для охлаждения нерафинированной стали на установке непрерывной разливки, иллюстрирует, как три характеристики взаимодействуют в каждом случае. Характеристики распыляющих форсунок и насоса представлены на рисунке ниже.
На рисунке ниже показано влияние характеристики клапана (линейной или равнопроцентной) на характеристику установки. Граничные условия – внешнее давление за форсунками и уровень жидкости в резервуаре, который предполагается быть постоянным. Если для проходного клапана нет явного технического предпочтения равнопроцентной характеристики, по экономическим причинам следует выбрать линейную характеристику. При равнопроцентной характеристике существует тенденция выбирать регулирующий клапан с большей величиной Kvs. В большинстве случаев перфорированный плунжер при равнопроцентной характеристике требует больших диаметров седла или большего хода и, следовательно, больших усилий привода.
 
НОМИНАЛЬНЫЙ РАЗМЕР КЛАПАНА
Требуемый коэффициент пропускной способности, конструкция дроссельного узла, форма плунжера (одно или многоступенчатый) и характеристика существенно определяют необходимое внутреннее пространство клапана, то есть номинальный размер. В дополнение к регулирующим ступеням, клапан можно оснастить фиксированными дросселирующими компонентами (перфорированные диски, перфорированные клетки, лабиринты потока). Кроме этих пространственных требований, нужно учитывать ещё и механические аспекты. Как правило, номинальный размер клапана не должен быть больше номинального размера трубы из-за изгибов и крутящих моментов внутри трубопроводов. Однако он не должен быть меньше, чем половина диаметра трубы. Кроме того, необходимо учитывать скорость потока на входе и выходе. Среды с твердыми частицами (примесями) требуют особенно большого внутреннего пространства. Для них используются регулирующие клапаны углового типа, которые обеспечивают свободное истечение потока на выходе безо всяких отклонений. Эта конструкция применима к быстро расширяющимся газообразным средам или к жидкостям при температуре, близкой к точке закипания, которые с понижением давления испаряются.
ПРИСОЕДИНЕНИЕ К ТРУБОПРОВОДУ
Для соединения клапана с трубопроводом обычно применяются сварные, фланцевые или винтовые соединения. Наиболее часто применяются фланцевые соединения, в то время как сварные соединения используются, прежде всего, в линиях высокого давления водяных/паровых контуров. Преимущества сварного соединения обусловлены их герметичностью. Однако существенным недостатком этих соединений является ограниченная ремонтопригодность, так как для современных клапанов требуется легкая замена износившихся деталей непосредственно на месте их установки.Сварное соединение, как правило, более дорогое, потому что части стальной трубы, так называемые обрубки, привариваются к корпусу клапана прямо на заводе. В общем, регулировочный клапан нужно рассматривать как элемент трубопроводной системы, а не просто как клапан. По этой причине средствами байпасных и запорных клапанов должно быть гарантировано, что, в случае возможной неисправности регулирующего клапана, он может быть извлечен из контура для техобслуживания и ремонта без остановки производственного процесса.
ПРИВОДЫ КЛАПАНА
Приводы служат для того, чтобы установить плунжер клапана в соответствии с требованиями системы управления. Существует три типа приводов:
Пневматические приводы рентабельны, могут использоваться на взрывоопасных участках, обеспечивать быстрое приведение в действие, постоянную герметичность и быстрое приведение в положение безопасности. Поэтому их выбирают в первую очередь. Электрические приводы устойчивы и точны; их можно привести в действие посредством контроллера процесса. Хотя первичный источник энергии более рентабелен, требуются большие расходы для обеспечения безопасности и использования в зонах риска. Кроме того, электрические приводы сравнительно медленны в действии. Электрогидравлические приводы отличаются очень хорошими динамическими качествами, стабильностью, быстродействием в сочетании с большим усилием привода, а так же безопасностью. Однако их недостатком является то, что они дороги и ресурсоемки.
В зависимости от типа клапана и технологических требований, при выборе привода нужно иметь в виду следующие критерии:
ПОЗИЦИОНЕР
Позиционеры клапана служат для преобразования сигналов (обычных в технологиях управления, при давлении 0,2 – 1,0 бар или электрическом токе 4 – 20мА) в усилие привода (обычно пневматического). Позиционер вместе с приводом образует управляющий контур, подчиненный контуру управления всем технологическим процессом. Позиционеры, управляемые микропроцессором (интеллектуальные позиционеры), обеспечивают возможность настройки многих параметров, как на месте, так и через коммуникационные системы. Управление производством осуществляется через двухсторонний обмен данными, который отличается от обычных сигналов управления и обратной связи. Здесь применяется «Дистанционный Магистральный Адресный Преобразователь» (сокращенно «HART» – the Highway Addressable Remote Transducer), в котором цифровая информация о состоянии преобразуется в аналоговый управляющий сигнал. Также применяются полевые шины Profibus (PA) и Foundation FieldbusTM, передающие управляющий сигнал и информацию о состоянии в цифровом виде.
В частных случаях, наряду с позицонерами, могут понадобиться дополнительные устройства, например:
ОБРАТИТЕСЬ К НАШИМ СПЕЦИАЛИСТАМ , ЧТОБЫ:
|
