Привод регулирующего клапана: характеристика и особенности

Технические характеристики регулирующих клапанов

Пропускная способность регулирующего клапана Kvs — значение коэффициента пропускной способности Kvs численно равно расходу воды через клапан в м³/ч с температурой 20°C при котором потери давления на нём составят 1бар. Расчёт пропускной способности регулирующего клапана под конкретные параметры системы вы можете выполнить в разделе сайта Расчёты.

DN регулирующего клапана — номинальный диаметр отверстия в присоединительных патрубках. Значение DN применяется для унификации типоразмеров трубопроводной арматуры. Фактический диаметр отверстия может незначительно отличаться от номинального в большую или меньшую сторону. Альтернативным обозначением номинального диаметра DN, распространённым в странах постсоветского пространства, был условный диаметр Ду регулирующего клапана. Ряд условных проходов DN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 28338-89 «Проходы условные (размеры номинальные)».

PN регулирующего клапана — номинальное давление – наибольшее избыточное давление рабочей среды с температурой 20°C, при котором обеспечивается длительная и безопасная эксплуатация. Альтернативным обозначением номинального давления PN, распространённым в странах постсоветского пространства, было условное давление Ру клапана. Ряд номинальных давлений PN трубопроводной арматуры регламентирован ГОСТ 26349-84 «Давления номинальные (условные)».

Динамический диапазон регулирования, это отношение наибольшей пропускной способности регулирующего клапана при полностью открытом затворе (Kvs) к наименьшей пропускной способности (Kv), при которой сохраняется заявленная расходная характеристика. Динамический диапазон регулирования ещё называют регулирующим отношением.

Так, например, динамический диапазон регулирования клапана равный 50:1 при Kvs 100, означает, что клапан может управлять расходом в 2м³/ч, сохраняя зависимости присущие его расходной характеристике.

Большинство регулирующих клапанов обладают динамическими диапазонами регулирования 30:1 и 50:1, но существуют и клапаны с очень хорошими регулирующими свойствами, их диапазон регулирования равен 100:1.

Авторитет регулирующего клапана — характеризует регулирующую способность клапана. Численно значение авторитета равно отношению потерь давления на полностью открытом затворе клапана к потерям давления на регулируемом участке.

Чем ниже авторитет регулирующего клапана, тем сильнее его расходная характеристика отклоняется от идеальной и тем менее плавным будет изменение расхода при движении штока. Так, например, в системе управляемой клапаном с линейной расходной характеристикой и низким авторитетом – закрытие проходного сечения на 50% может уменьшить расход всего лишь на 10%, при высоком же авторитете закрытие на 50% должно снижать расход через клапан на 40-50%.

Рекомендуется терять на регулирующем клапане с линейной характеристикой не менее 50% располагаемого напора на участке, а на клапане с логарифмической характеристикой не менее 10%.

Расходная характеристика регулирующего клапана отображает зависимость изменения относительного расхода через клапан от изменения относительного хода штока регулирующего клапана при постоянном перепаде давления на нём.

Линейная расходная характеристика — одинаковые приросты относительного хода штока вызывают одинаковые приросты относительного расхода. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой применяются в системах, где существует прямая зависимость между управляемой величиной и расходом среды. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикой идеально подходят для поддержания температуры смеси теплоносителя в тепловых пунктах с зависимым подключением к тепловой сети.

Равнопроцентная расходная характеристика (логарифмическая) — зависимость относительного прироста расхода от относительного прироста хода штока – логарифмическая. Регулирующие клапана с логарифмической расходной характеристикой применяются в системах, где управляемая величина нелинейно зависит от расхода через регулирующий клапан. Так, например, регулирующие клапаны с равнопроцентной расходной характеристикой рекомендуется применять в системах отопления для регулирования теплоотдачи отопительных приборов, которая нелинейно зависит от расхода теплоносителя. Регулирующие клапана с логарифмической расходной характеристикой отлично регулируют теплоотдачу скоростных теплообменных аппаратов с низким перепадом температур теплоносителя. Рекомендуется применять клапана с равнопроцентной расходной характеристикой в системах где требуется регулирование по линейной расходной характеристике, а поддерживать высокий авторитет на регулирующем клапане нет возможности. В таком случае сниженный авторитет искажает равнопроцентную характеристику клапана приближая её к линейной. Такая особенность наблюдается при авторитетах регулирующих клапанов не ниже чем 0,3.

Параболическая расходная характеристика — зависимость относительного прироста расхода от относительного хода штока подчиняется квадратичному закону (проходит по параболе). Регулирующие клапаны с параболической расходной характеристикой применяются как компромисс между клапанами с линейной и равнопроцентной характеристиками.

Особенности регулирующих клапанов с электроприводом

К востребованному типу трубопроводной арматуры относятся регулирующие клапаны, оснащенные электроприводом. Они служат для контроля параметров перемещаемых газов и жидкостей. Устройства для регулировки используются в энергетике, сетях газоснабжения, отопления и вентиляции. Они необходимы для функционирования промышленных трубопроводов, систем по снабжению горячей водой, тепловых пунктов и котельных.

Виды и характеристики электроприводов

В основе работы клапанов с сервоприводом — преобразование электроэнергии в механическое усилие, приводящее к перемещению запорного механизма. Различают следующие варианты приводов для таких устройств:

  • Электропривод. Он представляет собой совокупность электродвигателя, передаточного механизма и управляющей системы. Клапаны малого диаметра комплектуются однофазными силовыми элементами постоянного и переменного тока, а трехфазными асинхронными оснащается регулирующая арматура большей мощности. Электрический привод клапана позволяет управлять параметрами перемещаемой среды на расстоянии, используя дистанционное устройство.
  • Электромагнитный привод. Применяется для клапанов, которые комплектуются одним из приводов — соленоидным или с электромагнитной муфтой. Соленоидные электроприводы используются для управления системами двухпозиционной регулировки, представленными запорной арматурой. В устройствах с автоматическим контролем функции исполнительных элементов служат электромагнитные муфты трения или скольжения. Электромагнитный привод бывает блочным или встроенным, и оперативно реагирует на подаваемые сигналы.

Многообразие вариантов комплектации электроприводов позволяет выпускать устройства для применения в разных сферах. Их популярность обусловлена эксплуатационными свойствами и техническими характеристиками исполнительных механизмов.

Преимущества и недостатки использования электроприводов

Потребление энергии электроприводом клапана происходит только при движении, а его отключение не вызывает смещения по инерции. Среди других преимуществ электроприводов выделяют:

  • постоянную скорость функционирования;
  • низкую стоимость потребляемой энергии;
  • плавную регулировку устройств, предназначенных для управления потоками перемещаемой среды;
  • точность настройки и точное позиционирование;
  • экологическую безопасность при установке на трубопроводах;
  • возможность подключения дополнительного оборудования и датчиков для контроля и управления.

В отличие от регулирующих клапанов с пневмоприводом аналогичные устройства с электроприводом не склонны к засорению и отличаются низким уровнем шума во время работы. При авариях клапаны с электроприводами могут быть подключены к независимым источникам питания — резервным аккумуляторам и генераторам.

Основные недостатки клапанов для регулировки параметров перемещаемой среды — высокая стоимость и возможность перегрева двигателя при непрерывной работе в течение длительного времени. Из-за них повышается суммарная величина затрат на монтаж магистралей и требуется контроль состояния элементов привода. К другим недостаткам механизмов с электрическим приводом относятся:

  • Возможность возникновения помех в управлении расположенных вблизи сетей, которые появляются из-за воздействия поля электромагнитных приводов.
  • Сложность использования в условиях большой влажности и пожароопасных зонах. В этом случае можно применять устройства специального исполнения с высокой степенью защиты двигателя или заменить их клапанами с пневмоприводом.
  • Необходимость регулярного технического обслуживания, поскольку исполнительный механизм состоит из множества подвижных деталей и элементов.

Уменьшение влияния негативных особенностей достигается благодаря точной кинематической схеме и грамотной разработке конструкции привода. Комплектация защитными средствами повышает срок службы и делает устройства более удобными для эксплуатации.

Функционирование электроприводных клапанов

Принцип действия клапанов, оснащенных электроприводом, можно рассмотреть на примере двухходового вентиля для газовых магистралей с фланцевым механизмом крепления. Для него характерны следующие режимы функционирования:

  • Полное перекрывание.
  • Номинальный расход перемещаемой среды. В этом случае на фланцевый клапан поступает питание, благодаря чему рабочий элемент приходит в движение. Его положение обеспечивает подачу газа в нужном объеме.
  • Промежуточный. Он предусматривает ограничение перемещаемой среды на 10-50 % от номинального потребления. Переход на промежуточный режим происходит после подачи напряжения на катушку электромагнитной фланцевой задвижки и активизации вала регулирующего механизма.

При отсутствии дополнительных настроек клапан принимает номинальный расходуемый объем перемещаемых веществ за стандартный режим.

Классификация устройств по разным признакам

Одним из критериев классификации клапанов для регулировки транспортируемой среды является метод фиксации с трубами. Он представлен двумя вариантами крепежа — с помощью сварки или фланцев.

Сварное соединение применяется при строгих требованиях к герметичности и надежности узлов, которые возникают при транспортировке агрессивных веществ. Оно отличается небольшим весом и компактными размерами, но может использоваться только при монтаже сооружений из стали.

Фланцевые клапаны укомплектованы специальными плоскими пластинами имеющими форму кольца, прямоугольника или квадрата с отверстиями под крепежные элементы. Герметичность фланцевых соединений обеспечивается за счет уплотнительной поверхности, а прочность фиксации достигается благодаря использованию шайб и гаек. Материал изготовления и конструкция фланцев зависят от параметров транспортируемой среды, условий эксплуатации запорно-регулирующей арматуры и других факторов. К преимуществам таких соединений относятся простота установки и возможность многократного монтажа и снятия клапанов, если необходимо провести ремонт или профилактический осмотр.

Важная информация: габариты уплотнительных поверхностей фланцев и присоединительные размеры при номинальном давлении до 200 PN определяется по ГОСТу 12815-80, а свыше 200 PN — согласно ГОСТ 9399-81 или в соответствии с конструкторской документацией на конкретную модель.

В зависимости от типа запорного механизма устройства, используемые для управления потоками перемещаемых жидкостей и газа, бывают:

  • Золотниковые. В качестве рабочего элемента служит золотник, поворот которого на определенный угол регулирует объем транспортируемой среды. Поскольку жидкости не оказывают существенного сопротивления рабочему элементу, то изменение его положения не требует значительных усилий. Использовать клапаны такого типа в магистралях с высоким давлением нельзя из-за недостаточной герметичности узлов.
  • Седельные. Изменение параметров перемещаемой среды обеспечивается за счет плунжера, который уменьшает проходное сечение фланцевых клапанов. Они могут быть односедельными для магистралей небольшого диаметра и двухседельными, предназначенными для установки на крупных трубопроводах.
  • Мембранные. Функции рабочего элемента в мембранных клапанах выполняет эластичная мембрана, для изготовления которой используют резину или фторопласт. Мембранные устройства для регулировки отличаются устойчивостью к воздействию агрессивных веществ и коррозии и могут быть укомплектованы разными приводами.

Важная информация: согласно положениям ГОСТ 12893-2005 перемещение плунжера после сборки клапана должно происходить плавно, без заеданий и рывков. Уплотнительные поверхности рабочего элемента следует проверять на отсутствие вмятин и других дефектов, которые можно обнаружить при визуальном контроле.

Варианты исполнения клапанов с электроприводами

В зависимости от сферы применения фланцевые клапаны с электроприводом представлены следующими модификациями:

Читайте также:  Такелажные работы — что это такое?

  • Воздушным клапаном. Он применяется в системах проточной и вытяжной вентиляции и служит для контроля количеством подаваемого воздуха. Кроме того, воздушный регулирующий вентиль позволяет избежать попадания дыма в вентиляцию при возникновении пожара: достаточно перекрыть клапан, и распространение продуктов горения прекратится. Он устанавливается в труднодоступных местах, поэтому комплектуется приводом, который потребляет электричество в качестве источника питания. Такая модель позволяет регулировать параметры системы на расстоянии с помощью автоматики.
  • Газовым регулирующим фланцевым клапаном. Устройство предназначено для полного перекрывания газопроводов с разным проходным сечением. На магистралях также используют газовые двухходовые и трехходовые клапаны с пневмоприводом.
  • Огнезадерживающим фланцевым клапаном с электроприводом. Служит для предотвращения распространения пожара и устанавливается в перекрытиях между стенами или в вентиляционных каналах.
  • Двухходовыми и 3-х ходовыми устройствами. Они востребованы в сетях централизованного и автономного отопления, в водоснабжении, на тепловых пунктах и в системах вентиляции. Двухходовые устройства применяются для ограничения расхода перемещаемой жидкости и обеспечивают смешение в нужной пропорции. В отличие от двухходовых моделей клапаны с тремя патрубками используются для разделения или смешения потоков перемещаемой жидкости.

Двухходовой регулирующий клапан с электроприводом Трехходовой регулирующий клапан с электроприводом

Мембранные клапаны с приводами, устойчивые к агрессивным и летучим жидкостям, востребованы на предприятиях химической промышленности. В быту используют обратные мембранные клапаны, обеспечивающих защиту сетей отопления от гидравлических ударов.

Приводы для регулирующих клапанов

Использование электроприводов и регулирующих клапанов Danfoss обеспечивает новый уровень удобства благодаря превосходным характеристикам и высокой точности регулирования. Улучшенная защита от перегрузки снижает риски и обеспечивает бесперебойную работу привода в системе.

Регулирующие клапаны с электроприводом обеспечивают стабильное и точное регулирование расхода воды. Это, в свою очередь, оптимизирует управление температурным режимом и ведет к повышению уровня комфорта для конечных потребителей. Оптимальный диапазон регулирования и быстрое время отклика на изменение расхода горячей воды для бытовых нужд — это лишь некоторые из особенностей, которые обеспечивают наилучшие характеристики регулирования.

Особенности привода:

  • Устранение колебаний давления в системе
  • Большой диапазон регулирования
  • Ограничение хода
  • Комбинированные характеристики
  • Возможность изменения характеристик регулирования (приводы серии 65X)

Особенности и преимущества

Простота выбора, установки, выполнения пусконаладочных работ и технического обслуживания экономит время, средства и сокращает трудозатраты

Встроенная функция защиты электродвигателя от перегрева и перегрузки

Светодиодные индикаторы помогают выполнить монтаж изделий серии РК и ЭП и пусконаладочные работы за меньшее время и с меньшими усилиями

Вопросы и ответы

Обозначения AMV или AME указывают, каким способом осуществляется управление приводом. Буквами AMV обозначается двух- или трехпозиционное управление приводом, а буквами AME — управление приводом с помощью аналогового сигнала. Это очень важное различие, так как для конкретной системы может не подойти привод с тем или иным типом управления.
Управляемые модулирующим сигналом приводы AME подходят для точного регулирования расхода, так как в них реализован сигнал обратной связи. Они выполняют очень точное позиционирование в соответствии с сигналом, полученным от контроллера. Кроме того, приводы AME (иногда их также называют приводами электронного типа) имеют больше функций в настройках DIP-переключателей, отличаются гораздо большей эксплуатационной гибкостью и наличием различных вариантов управления.
Обычно в приводах AMV по умолчанию нет активного обратного сигнала, кроме случаев, когда в них установлен потенциометр. Они не отличаются очень высокой точностью регулирования расхода, но могут стать очень хорошим решением, если удовлетворяют всем требованиям клиента.

Подходящей заменой в настоящее время являются приводы AME 655 или AME 55. В будущем также можно будет использовать привод AME 685.
Техническое описание приводов AMB 162/182 см. по ссылке: http://products.danfoss.com/productrange/list/heatingsolutions/control-valves/actuators-for-rotary-valves/amb-162-182-/#/

Большинство приводов не работают от источников переменного и постоянного тока, так как в них используется технология синхронных электродвигателей. С появлением новых электродвигателей BLDC эта технология может использоваться и для приводов переменного или постоянного тока благодаря так называемому последовательному соединению между статором и ротором электродвигателя.
Приводы такого типа, например AME 435 и AME 655/658, могут работать от источника переменного или постоянного тока, но каждая из моделей привода работает от источника питания только одного из этих типов (24 В или 230 В). Если в системе имеется источник питания постоянного тока и привод переменного тока, рекомендуется найти подходящую замену такому приводу или установить в системе инвертор.
Техническое описание приводов AME 435 см. по ссылке: http://products.danfoss.com/productrange/list/heatingsolutions/control-valves/actuators-for-seated-valves/actuators-for-heating-cooling-/actuators-without-safety-function/amve-435/#/

Вспомогательные переключатели устанавливаются в приводе и посылают сигнал принимающему устройству (это может быть другой привод, котел, насос или регулятор), когда достигнута определенная точка в перемещении привода. Обычно это происходит в конечном положении (привод полностью открыт или закрыт).

Функция безопасности предусмотрена в приводах в соответствии с требованиями законодательства или заказчика. Она обеспечивает закрывание или открывание клапана в случае сбоя питания. При отключении питания клапан становится неуправляемым. Это может привести к катастрофическим последствиям для системы или предприятия. Что еще более важно, такая ситуация может представлять опасность для всех людей, находящихся рядом с клапаном, так как вода в системе под давлением может иметь температуру выше 130 °C.
Функция безопасности позволяет автоматически закрывать или открывать клапан (под действием пружины внутри привода) при каждом отключении питания. Обозначение SD означает, что усилие пружины прилагается по направлению вниз, в результате чего привод перемещается в крайнее нижнее положение, обозначение SU — что усилие пружины прилагается по направлению вверх, в результате чего привод перемещается в крайнее верхнее положение. Обе модели представлены в номенклатуре изделий Danfoss.
См. номенклатуру приводов: http://products.danfoss.com/productrange/heatingsolutions/control-valves/actuators-for-seated-valves/#/

ДА, можно. Обычно приводы имеют линейную характеристику, но в новых приводах серии AME, например в приводах AME 435 и AME 655/658, имеется возможность изменять характеристику привода с помощью настроек DIP-переключателя. Дополнительные сведения по этому вопросу см. в техническом описании.

Во всех приводах серии AME имеется возможность выбора в настройках DIP-переключателя входного сигнала управления — либо сигнала напряжения от регулятора (U), либо сигнала тока от регулятора (I). Существует также дополнительная опция: сигнал управления приводом от контроллера — 0(2)–10 В или 0(4)–20 мА.

Скорость приводов с синхронными электродвигателями фиксируется на частоте источника питания 230 В переменного тока. Для увеличения скорости привода необходимо использовать источник питания с частотой 60 Гц. Однако не рекомендуется использовать такое решение, так как невозможно определить, насколько быстрее фактически перемещается привод.
Рекомендуем выбирать приводы серии AME производства Danfoss с технологией электродвигателя BLDC, так как в них реализована возможность выбора скорости в настройках DIP-переключателя. Например, скорость перемещения приводов AME 655/658 может составлять 2 с/мм или 6 с/мм в зависимости от настроек DIP-переключателя. Обратитесь в региональный офис продаж, чтобы узнать, в каких приводах имеется функция выбора скорости перемещения.

Часто бывает, что величина хода привода больше, чем у клапана. В приводах Danfoss реализован протокол самостоятельной настройки для ввода в эксплуатацию. С его помощью происходит автоматическое определение конечных положений клапана, на котором установлены приводы. Эти положения «запоминаются» приводом, и величина его хода устанавливается в зависимости от величины хода клапана. Это позволяет значительно сократить время и усилия при установке привода на клапане и его вводе в эксплуатацию.

Да, при совместном использовании этих изделий необходим переходник, так как горловина клапана имеет конструкцию, отличную от конструкции изделий типоразмера DN 65-80. В этом случае для монтажа привода на клапан необходимо установить переходник 065Z0312.

Регулирующие двухходовые и трехходовые клапана.

Принцип действия регулирующего клапана основан на перемещении конуса клапана (или плунжера вентиля) и регулировании за счет изменения пропускной способности среды (то есть расхода рабочей среды, в качестве которой может выступать вода, пар, газ, нефтепродукты или др.). Соответсвенно клапан может выполнять: регулирующую, запорную, смешивающую и разделительную (распределительную) функцию.

Управление клапаном может осуществляться электрическим, пневматическим, гидравлическим или электромагнитным приводом. Привода, используемые с регулирующими клапанами, могут иметь аналоговый (непрерывный) или дискретный (трехпозиционный) тип управления . Сигнал на привод на открытие или закрытие клапана подается чаще всего управляющим органом, в качестве которого выступает программируемый контроллер, который, в свою очередь, воспринимает параметры рабочей среды, наружного воздуха или какие-либо иные параметры. Также привод может иметь, как дополнительную опцию, ручное управление, которое используется как вспомогательное).

По типам регулирующие клапаны могут быть: двухходовыми, трехходовыми и четырехходовыми.

Двухходовой регулирующий клапан – имеет два патрубка (входной и выходной) и его принцип действия основан на работе конуса клапана (или шара, для шаровых регулирующих клапанов). Конус (шар) при воздействии дополнительного устройства (например, электропривода) изменяет расход (а соответственно и давление) рабочей среды через проходное сечение вентиля. В качестве рабочей среды может выступать вода, пар, газ, нефтепродукты и другие жидкости и газы, которые можно применять с материалами выбранного клапана.
Свое применение двухходовые клапана нашли в отоплении, вентиляции и кондиционировании. Особенно в централизованных системах теплоснабжения. Двухходовые регулирующие клапаны используются для управления параметрами тепловой сети перед теплообменным аппаратом системы горячего водоснабжения и независимых систем отопления, управления процессом смешения в тепловых пунктах с зависимым подключением к тепловой сети.

Рис. 1 Двухходовой клапан.

Трехходовой регулирующий клапан – имеет три патрубка и его принцип действия основан на смешении или разделении потоков. Трехходовой клапан может регулировать температуру теплоносителя на выходе из клапана, при смешении потоков горячей и холодной воды, благодаря чему достигается необходимая температура на выходе (Рис.2. Выход AB), или выполнять разделительную функцию (Рис.2. Разделение потока AB на составляющие A и B соответственно). Управление клапаном производится приводом, который, соответственно, соединен с контроллером. Контроллер, получая сигналы от различных датчиков, управляет конусом клапана. Привод, устанавливаемый на трехходовой регулирующий клапан, может быть электрическим, пневматическим, гидравлическим и т.д.
Наиболее широкое распространение трехходовые клапана получили в системах теплоснабжения для управления теплоотдачей калориферов системы вентиляции, теплообменных аппаратов систем горячего водоснабжения и отопления, подключённых по независимой схеме, управления процессом смешения в системах отопления с зависимым подключением в котельной.

Читайте также:  Как установить мобильный кондиционер

Привод регулирующего клапана: характеристика и особенности

Линейный электропривод для регулирующего клапана — это устройство, предназначенное для управления седельным клапаном по сигналу контроллера. Понятие линейный электрический привод означает, что управление регулирующим клапаном происходит за счёт поступательного (линейного) перемещения штока. Управляют работой электрических приводов с помощью электронных регуляторов (контроллеров). Контроллеры формируют аналоговый или трёхточечный управляющий сигнал. Положение штока привода при аналоговом управлении зависит от номинала напряжения в диапазоне от 0 до 10В, а при трёхточечном управлении величина управляющего сигнала постоянна, но поступает он по различным каналам.
Линейные электроприводы применяются для управления двух и трёхходовыми регулирующими клапанами с поступательным перемещением штока. Регулирующие клапаны с электроприводами устанавливают в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий, а также в системах автоматизации технологических процессов.

Достоинства:
– Невысокая цена
– Простая конструкция
– Простое управление
– Высокая надёжность
– Точное управление положением штока
– Возможны высокие усилия закрытия
– Возможна различная скорость перемещения штока

Недостатки:
– Необходимы дорогостоящие электронные регуляторы формирующие управляющий сигнал

Устройство и конструкция электропривода

Основные элементы конструкции электропривода это редукторный механизм и электромотор, но в зависимости от специфики применения электрические приводы для регулирующих клапанов могут комплектоваться дополнительными устройствами:
– Концевые выключатели необходимым для отключения привода при достижении клапаном крайних положений.
– Устройство силового ограничения усилия для предотвращения поломки арматуры или перегрузки электрического привода.
– Ручной дублёр позволяет вручную открыть или закрыть регулирующий клапан при отсутствии питания или выходе из строя электропривода.
– Указатель положения затвора клапана позволяет визуально контролировать работу регулирующего клапана с электрическим приводом.

Защитная функция электрических приводов определяет поведение штока при обесточивании и необходима для защиты оборудования и систем, а не самого электропривода. Ярким примером необходимости защитной функции электрического привода, является водяной калорифер приточной установки подогрева воздуха, расход теплоносителя через который определяется клапаном с электроприводом. В случае аварийного отключения питания – защитная функция электрического привода должна открыть клапан и пропустить через калорифер максимальный расход теплоносителя. В случае отсутствия защитной функции в электрическом приводе, отключение питания может произойти в момент, когда поток теплоносителя полностью перекрыт, а приток холодного воздуха не прекратился, что станет причиной разморозки калорифера.

Варианты реализации защитной функции электрических приводов:
– Шток при обесточивании останавливается.
– Шток при обесточивании поднимается вверх. Поднятие осуществляется, как правило, за счёт возвратной пружины.
– Шток при обесточивании опускается вниз. Опуск осуществляется, как правило, за счёт возвратной пружины.
Следует обратить внимание на то, что в зависимости от исполнения клапана опущенный вниз шток электрического привода может отрывать проходное сечение клапана или закрывать его.

Управление электроприводом регулирующего клапана осуществляется с помощью аналогового или трёхточечного сигнала контроллера. Типы управляющих сигналов привода и контролера должны совпадать.
Аналоговый и трёхточечный сигналы одинаково хорошо управляют процессами, поэтому рекомендаций по использованию какого либо типа управляющего сигнала в определённых схемах нет.

Аналоговое управление (пропорциональное) — шток перемещается на величину пропорциональную величине управляющего сигнала (напряжения или тока). При аналоговом управлении (прямом) положение штока электрического привода зависит от величины подаваемого напряжения в диапазоне от 0 до 10В (2-10В). Например, если контроллер определил, что регулирующий клапан управляемый электроприводом должен быть открыт на половину, то он посылает аналоговый управляющий сигнал номиналом в 5 Вольт, если клапан следует полностью открыть, то должен быть сформирован управляющий сигнал – 10В.

Трёхточечное управление (импульсное управление) — шток перемещается на величину пропорциональную длительности питающего сигнала. При трёхточечном управлении положение штока не зависит от напряжения и на электропривод поступает сигнал открытия или закрытия. В случае трёхточечного управления величина управляющего сигнала постоянная, но поступает он по разным каналам.

Некоторые схемы подключения электропривода:

Подбор электропривода для регулирующего клапана

Рекомендации по подбору электрических приводов:
– Электропривод подбирается под ранее выбранный регулирующий клапан.
– Ход штока линейного привода должен быть большим или равен ходу штока клапана.
– Электроприводы рекомендуется выбирать из списка совместимых устройств, указанных в характеристиках контроллера.
– Электрические приводы рекомендуется выбирать из списка совместимых устройств, указанных в характеристиках клапана.
– Чем больше дросселируемое давление на клапане, тем с большим усилием закрытия должен быть подобран электропривод.
– Для исключения перегрузок большинство электроприводов оборудуются концевыми выключателями, прекращающими подачу питания на обмотки электрического привода при достижении штоком клапана концевых положений.
– Питающее напряжение электрического привода и управляющего контроллера должно совпадать, то есть, к контроллеру питающегося от сети напряжением 24V, можно присоединять только электропривод с питанием в 24V.
– При подборе следует учитывать быстродействие электрического привода. Так, например, для регулирования теплопотребления в системах отопления подойдут медленные, а для регулирования теплопотреблением приточных установок вентиляционных систем необходимы быстродействующие электрические приводы. При этом следует помнить, что медленные электроприводы, как правило дешевле, чем быстродействующие.

Технические характеристики электроприводов

Усилие закрытия электропривода измеряется в Ньютонах (Н). От величины усилия зависит, какой клапан и при каком перепаде давлений электропривод сможет закрыть. Необходимое усилие для закрытия указывается в характеристиках регулирующего клапана.

Управляющий сигнал электропривода может быть аналоговым или трёхточечным. Управляющий сигнал электрического привода должен соответствовать управляющему сигналу контроллера. Подробное описание управляющих сигналов электрических приводов приведено в разделе – Управление электроприводом.

Ход штока электропривода, измеряется в миллиметрах и соответствует расстоянию между максимальным нижним и максимальным верхним положением штока. Ход штока электрического привода должен быть больше либо равен ходу штока регулирующего клапана.

Быстродействие электропривода, измеряется в сек/мм и соответствует времени в секундах необходимому для перемещения штока на 1 миллиметр.

Максимальная температура рабочей среды, при которой допускается применять электрический привод. Сам электропривод с теплоносителем не контактирует, но тепло от теплоносителя передаётся по штоку клапана к штоку электрического привода. В случае если рабочая температура больше максимальной температуры, следует применять охладители штока.

Напряжение питания электрического привода должно соответствовать напряжению питания контроллера.

Требования норм, касающиеся электроприводов

Ниже собраны требования норм и правил касающиеся подбора, монтажа и эксплуатации электроприводов. Приведенный перечень нормативных требований не является исчерпывающим, и со временем будет расширяться. Выдержки взяты из нормативных документов регулирующих порядок проектирования, монтажа и эксплуатации инженерных систем жилых, общественных и административно бытовых зданий. В разделе не приведены требования норм и правил которые относятся к Электроприводам применяемым в промышленности и технологических установках.

ДБН В.2.2-15 Жилые здания

Пункт 5 — ДБН В.2.2-15 Жилые здания Инженерное оборудование зданий

ДБН В.2.5-39 Тепловые сети

Пункт 12.14 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Шаровую арматуру Dу>=125мм следует использовать с редуктором. Запорную арматуру Dу>=500мм следует использовать с электроприводом. Арматуру, для открытия и закрытия которой необходимо усилие более 250Н, следует использовать с электрическими приводами.

При дистанционном управлении запорной арматурой, арматуру на байпасах следует использовать также с электроприводом.

Пункт 12.15 — Глава 12 Конструкции трубопроводов

Запорную арматуру с электроприводом при подземной прокладке следует располагать в камерах с надземными павильонами или в подземных камерах с естественной вентиляцией, которая обеспечивает параметры воздуха соответствующие техническим условиям на электроприводы к арматуре.

При надземной прокладке тепловых сетей на низких опорах для запорной арматуры с электроприводом следует устанавливать металлические кожухи, которые исключают доступ посторонних особ и защищают запорную арматуру и электропривод от атмосферных осадков, а на транзитных магистралях, как правило, – павильоны.

При прокладке на эстакадах или высоких отдельно расположенных опорах следует устраивать навесы для защиты арматуры от атмосферных осадков.

Пункт 17.1 — Глава 17 Электроснабжение и система управления

Электроснабжение тепловых сетей следует выполнять в соответствии с Правилами устройства электроустановок и НПАОП 0.00-1.32-01.

Электроприёмники тепловых сетей по надёжности электроснабжения следует предусматривать:

I категории – подкачивающие насосы тепловых сетей диаметром труб более 500мм и дренажные насосы дюкеров, диспетчерские пункты;
II категории – запорная и регулирующая арматура при телеуправлении, подкачивающие, смесительные и циркуляционные насосы тепловых сетей диаметром труб менее 500мм и систем отопления и вентиляции в тепловых пунктах, насосы для опорожнения и опустошения баков-аккумуляторов для подпитки тепловой сети в открытых системах теплоснабжения, подпиточные насосы в узлах рассечки;
III категории – остальные электроприёмники.

СНиП II-35 Котельные установки

Пункт 14.2 — Глава 14 Электроснабжение и электротехнические устройства

Электроприемники котельных по надежности электроснабжения относятся к первой или второй категориям, определяемым в соответствии с ПУЭ и п. 1.12 настоящих норм и правил.

В котельных второй категории с водогрейными котлами единичной производительностью более 10 Гкал/ч электродвигатели сетевых и подпиточных насосов относятся по условиям электроснабжения к первой категории.

Регулирующий клапан – электропривод, МИМ или позиционер?

Многие задачи автоматизации технологических процессов в той или иной мере требуют плавного изменения параметров рабочей среды. Это может быть поддержание нужного расхода теплоносителя на входе в теплообменник, или заданного давления воздуха внутри рабочей камеры пневмоцилиндра для регулировки усилия прижима, или поддержание соотношения газ/воздух при подаче топлива в горелку котла и т. д. Эти и многие другие задачи требуют применения регулирующих клапанов для их решения.

1. Клапаны с электроприводом и трёхпозиционным управлением

Одним из наиболее распространённых типов регулирующих клапанов являются клапаны с электроприводом и трёхпозиционным управлением, который в народе часто называют «больше/меньше». Данный способ управления характеризуется наличием трёх состояний клапана: открывается (сигнал «больше»), закрывается (сигнал «меньше») и не изменяет состояния (оба сигнала: и «больше» и «меньше» отсутствуют).

Электроприводы с таким способом управления применяются как совместно с запорно-регулирующими клапанами (линейное перемещение рабочего органа), так и совместно с регулирующими шаровыми кранами или заслонками (поворот рабочего органа). В обои случаях принцип работы электропривода одинаковый: подача одного из сигналов «больше» или «меньше» приводит к вращению электромотора в различных направлениях, а редуктор преобразует это вращение в линейное (для клапанов) или поворотное (для кранов) движение. При этом необходимость обеспечения высокого выходного момента заставляет использовать редукторы с большим передаточным отношением, что приводит к уменьшению скорости работы привода.

Читайте также:  Какие запчасти нужны для дизельных, бензиновых, газовых генераторов

Время полного хода регулирующих клапанов с электроприводом составляет, как правило, от нескольких десятков до нескольких сотен секунд. Для многих медленно протекающих процессов быстродействие не является критичным и на первый план при выборе выходят цена и общая надёжность конструкции. Примером таких процессов может служить задача поддержания температуры в контурах отопления или горячего водоснабжения в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП).

2. Клапаны с мембранным исполнительным механизмом (МИМ)

Использование клапанов с электроприводом и управлением «больше/меньше» требует применения специальных регуляторов. Однако, данные регуляторы не являются редкостью, а их настройка не вызывает больших трудностей, так что этот факт следует отнести скорее к особенностям таких клапанов, а не к их недостаткам.

Впрочем, некоторые процессы для качественного управления требуют быстродействующих клапанов со временем полного хода не более нескольких секунд. Примерами таких процессов могут служить пастеризационно-охладительные установки (ПОУ) или уже упоминаемый процесс поддержания оптимального соотношения газ/воздух. Для решения этих задач используют клапаны с пропорциональным способом управления и одними из наиболее распространённых клапанов такого типа являются клапаны с мембранным исполнительным механизмом (МИМ).

Рисунок 3 — ЭПП ASCO Sentronic LP

В качестве входного сигнала управления, определяющего положение рабочего органа клапана чаще всего выступает унифицированный пневматический сигнал 20…100 кПа. При этом для подключения к электронной системе автоматики используют специальные электропневмопреобразователи (ЭПП). С помощью этих устройств унифицированный электрический сигнал 4…20 мА или 0…10 В преобразуется в пневматический сигнал управления 20…100 кПа.

Клапаны с МИМ совместно с ЭПП имеют на порядок большее быстродействие по сравнению с клапанами с электроприводом, что позволяет обеспечивать большую точность в динамическом режиме работы. Однако, такой подход при построении системы управления несёт в себе одну скрытую угрозу.

Дело в том что в цепи управления присутствует преобразование без обратной связи (ЭПП ➝ МИМ ➝ процент открытия клапана) и на обоих этапах этого преобразования возможны нелинейности, вызывающие уменьшение динамической точности. Таким образом одна и та же величина сигнала управления генерируемая регулятором может приводить к различному проценту открытия клапана и, как следствие, к отличающемуся от ожидаемого воздействию на объект управления.

Рисунок 4 — Схема контура регулирования при ипользовании клапана с МИМ и ЭПП

Неточная передача управляющих воздействий на объект управления связана с естественными отклонениями реальных устройств от их идеального представления. Эти отклонения присущи любым устройствам, хотя разные модели разных производителей могут иметь различную величину данных отклонений. Применительно к пропорциональным клапанам отклонение реальных устройств от их идеальных моделей обычно характеризуют четырьмя параметрами: линейность, чувствительность, гистерезис и повторяемость.

Линейность

Характеризует отклонение реального положения рабочего органа клапана от расчётного, соответствующего текущему уровню входного сигнала. Идеальная зависимость между управляющим сигналом и положением рабочего органа клапана представляет из себя прямую линию. Однако, фактическое положение может отличаться от расчётного по ряду причин. Максимальное отклонение фактического положения от расчётного выражают в процентах и называют линейностью (или нелинейностью). На рисунке 5 характеристика идеального клапана показана чёрной линией, а реального зелёной. Для клапанов с трёхпозиционным управлением значение линейности не указывают, т. к. однозначная зависимость между сигналами управления и положением рабочего органа клапана отсутствует.

Чувствительность

Если придерживаться формального подхода, определяет минимально возможное перемещение рабочего органа клапана. Выражается в процентах от общего перемещения. Чем меньше значение чувствительности, тем более незначительные изменения управляющего сигнала может отработать регулирующий клапан. Однако, не следует забывать что частые перемещения рабочего органа на малые расстояния приводят к повышенному износу и сокращают срок службы клапана. Поэтому, чаще всего, чувствительность клапана обозначает максимально возможную точность остановки рабочего органа в требуемом положении, а для того что-бы избежать микроперемещений при работе клапана в устройстве управления Рисунок 6 – Чувствительность вводится зона нечувствительности, превышающая чувствительность клапана и предотвращающая повышенный износ.

Гистериз

Под гистерезисом регулирующих клапанов понимают разность положений рабочего органа, которые он занимает при одной и той-же величине управляющего сигнала но при движении в разных направлениях – при закрытии и открытии. Наибольшее влияние на процесс регулирования гистерезис оказывает при изменении направления движения рабочего органа. Допустим, система управления открывает клапан. При этом рабочий орган движется по нижней кривой от точки 0 до точки 1. Если в этот момент требуется изменить направление движения, система управления уменьшает величину входного сигнала, однако, положение рабочего органа клапана не изменится до тех пор пока не будет достигнута точка 2.

Рисунок 5 — Линейность

Рисунок 6 — Чувствительность

Рисунок 7 — Гистериз

Высококачественные клапаны имеют небольшой гистерезис, 1…2%, который не оказывает существенного влияния на процесс управления. Однако, гистерезис некоторых типов регулирующих клапанов может достигать 10…15%, что заставляет инженеров внедрять в систему управления дополнительные устройства или программные модули для компенсации влияния гистерезиса. В процессе эксплуатации, значение гистерезиса клапана может сильно увеличиваться вследствие износа. При критическом увеличении гистерезиса его называют люфтом.

Повторяемость это способность рабочего органа клапана занимать одинаковые положения при многократной подаче на него одинаковых входных сигналов. В отличии от измерительных приборов для клапанов значение повторяемости, обычно не является критичным, т. к. повторяемости почти любого современного клапана оказывается достаточно высокой чтобы не оказывать сколько-нибудь существенного влияния на процесс регулирования. Все эти отклонения возникают в разомкнутой части системы управления (ЭПП ➝ МИМ ➝ процент открытия клапана) и их качественная компенсация без введения обратной связи является сложным процессом, требующим применения нетрадиционных регуляторов и длительной настройки на этапе пусконаладочных работ.

В связи с высокой сложностью компенсации нелинейностей в цепи управления при использовании клапанов с МИМ и ЭПП от неё часто отказываются. При этом оценить точность системы управления в динамическом режиме работы становится практически невозможно и при построении системы приходится опираться на личный опыт проектировщиков, а представления о применимости тех или иных клапанов для решения поставленных задач формируются исходя из успехов (или неудач) уже реализованных проектов. Избежать неясностей при построении подобных систем управления позволяет введение в цепь управления обратной связи по положению штока клапана с формированием второго, стабилизирующего, контура. В качестве регулятора в этом контуре используется позиционер.

Рисунок 8 — Схема контура регулирования при спользовании клапана с позиционером

3. Позиционер управления клапаном

Это устройство которое полностью берёт на себя функцию управления клапаном. Примером может служить позиционер ASCO 60566318, который устанавливается на все регулирующие клапаны серий E290(резьбовой), S290(приварной) и T290(фланцевый). После установки позиционера на клапан запускается процедура инициализации, в процессе которой позиционер в автоматическом режиме собирает всю необходимую информацию о клапане и настраивает встроенный регулятор таким образом чтобы обеспечить оптимальное управление. После завершения инициализации из системы управления достаточно подать на позиционер пропорциональный сигнал с требуемым процентом открытия клапана, а позиционер приведёт клапан в нужное положение.

Рисунок 10 — Регулирующий клапан ASCO с позиционером

Использование клапанов с позиционером позволяет скомпенсировать нелинейности на этапах преобразования пропорционального электрического сигнала от регулятора в процент открытия клапана. Благодаря этому можно почти полностью отказаться от сложной процедуры ручной настройки регуляторов, управляющих пропорциональными клапанами.

Клапан с позиционером уже имеет в своём составе замкнутый контур управления с оптимально настроенным регулятором, среди прочего в автоматическом режиме компенсирующим гистерезис и нелинейность клапана. Таким образом время пусконаладочных работ сокращается до минимума, а расчёт точности упрощается и представляет из себя один параметр – зону нечувствительности встроенного в позиционер регулятора.

Для регулирующих клапанов ASCO с позиционером заводское значение зоны нечувствительности составляет 1%. Инженерам-проектировщикам следует, однако, помнить что даже такие высокие показатели точности не гарантируют высококачественного регулирования в случае неправильно выбранного регулирующего клапана. Так, например, часто встречающейся ошибкой при проектировании систем является выбор регулирующего клапана по диаметру трубопровода на котором он устанавливается.

При таком подходе реальный расход среды через регулирующий клапан может оказаться существенно ниже номинального расхода, а значит и показатели качества процесса регулирования ухудшатся в несколько раз. Поэтому при высоких требованиях к точности регулирования следует уделить особое внимание выбору клапана с коэффициентом расхода Kv соответствующим проектируемой системе.

4. Выводы

На современном рынке технических средств автоматизации представлено большое количество различных регулирующих клапанов. Наиболее распространёнными являются три типа: клапаны с электроприводом с трёхпозиционным способом управления («больше/меньше»), клапаны с МИМ и ЭПП, клапаны с позиционером. Преимущества и недостатки каждого из них можно резюмировать следующим образом.

Клапаны с электроприводом и управлением «больше меньше»

Рисунок 11 — Клапаны с электроприводом и управлением «больше меньше»

Минусы:

  • низкая скорость работы
  • ограниченная применимость
  • высокое энергопотребление (вызывает сложности при построении систем с автономным резервированием питания)

Плюсы:

  • управление дискретными сигналами
  • простой и понятный принцип работы + цена
  • требуют использования специальных регуляторов

Клапаны с МИМ и ЭПП

Рисунок 11 — Клапаны с МИМ и ЭПП

Минусы:

  • чрезвычайно высокая сложность компенсации нелинейностей в контуре управления
  • сложность оценки точности, особенно в динамических режимах работы
  • требует для работы сжатый воздух

Плюсы:

  • высокое быстродействие
  • низкое энергопотребление
  • расширенная сфера применения
  • управление пропорциональным сигналом

Клапаны с позиционером

Рисунок 11 — Клапаны с позиционером

Минусы:

  • требует для работы сжатый воздух

Плюсы:

  • высокое быстродействие
  • низкое энергопотребление
  • автоматическая компенсация нелинейностей
  • лёгкое построение двухконтурной системы управления с минимумом трудозатрат
  • наиболее широкая сфера технологических применений
  • управление пропорциональным сигналом

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Быков А.Ю.

Ссылка на основную публикацию