ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Предназначены для воздействия на объект путем изменения расхода проходящей через них технологической среды (жидкости, газа, пара и сыпучего материала) в соответствии с командной информацией, поступающей от регуляторов или других управляющих устройств. В системах управления исполнительные устройства являются конечными элементами и их устанавливают на технологических трубопроводах.

Исполнительные устройства (ИУ) состоят из привода – исполнительного механизма (ИМ), и регулирующего органа (РО). ИМ воспринимает командные сигналы регулятора и другого управляющего устройства и развивает перестановочное усилие, вызывающее перемещение его выходного элемента. РО непосредственно воздействует на технологический процесс. Наиболее распространен РО дроссельного типа, который устанавливают на трубопроводе, он представляет собой местное гидравлическое сопротивление. При перемещении затвора, жестко связанного с элементом ИМ, относительно неподвижного седла гидравлическое сопротивление дроссельного РО изменяется, что приводит к изменению расхода протекающей через него среды. ИУ могут представлять собой конструктивно единое целое или могут комплектоваться по месту из отдельно поставленных ИМ и РО. Для возможности работы от пневматического сигнала ИУ должны иметь пневматический ИМ.

Исполнительный механизм является приводной частью регулирующего органа. Применяются ИМ следующих видов: Электрические (электромагнитные и электродвигательные); пневматические (мембранные, поршневые, лопастные); гидравлические (прямоходные и кривошипные).

Пневматические исполнительные устройства применяют в химических производствах более чем в 90 % случаев, это объясняется их взрыво- и пожаробезопасностью, высокой надежностью, простотой обслуживания, развитием достаточно больших перестановочных усилий, небольшими габаритами. Их входным сигналом является изменение давления командного воздуха в интервале , а выходным – изменение расхода вещества или энергии. Они обычно работают в комплекте с пневматическими регуляторами. При необходимости работы от электрических устройств командный сигнал должен подаваться через электропневмопреобразователь.

Наибольшее распространение получили ИУ, состоящие из пневматического мембранного ИМ и клапана, называемые пневматическими регулирующими клапанами.

Регулирующие органы - это звено исполнительного устройства, предназначенное для изменения расхода вещества или энергии в объект регулирования. Различают дозирующие и дроссельные РО. К дозирующим относятся такие устройства, которые изменяют расход вещества за счет изменения производительности агрегатов (дозаторы, питатели, насосы и др.). Наибольше распространены РО дроссельного типа. Дроссельный РО представляет собой переменное гидравлическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счет изменения своего проходного сечения; К ним относятся регулирующие клапаны, поворотные заслонки, шиберы и краны. Регулирующие органы характеризуются многими параметрами, основными из которых являются: пропускная и условная пропускная способности, условное и рабочее давление, перепад давления на РО и условный проход.

Пропускной способностью КV называется расход жидкости с плотностью , пропускаемой РО при перепаде давления на нем, равном .Пропускная способность зависит от типоразмера РО и хода его затвора. Величину выражают в .

Условной пропускной способностью КVУ называется номинальное значение пропускной способности РО при максимальном ходе затвора, выраженное в кубических метрах в час . Условная пропускная способность зависит от типа регулирующего органа и размера его условного прохода .

Прочность регулирующих органов определяет условное и рабочее давление.

Условным давлением РУ называют наибольшее допустимое давление среды на регулирующий орган при нормальной температуре. На условное давление рассчитывается РО. Прочность металлов с повышением температуры понижается. Поэтому для арматуры и соединительных частей предусматривается также максимальное рабочее давление.

Максимальное рабочее давление - это наибольшее установленное давление среды на регулирующий орган при фактической температуре. Рабочее давление при одном и том же условном давлении зависит от свойств металла деталей РО и температуры среды. Разрешается превышение фактического рабочего давления до 5 % сверх установленного для заданной температуры.

Перепад давления на регулирующем органе определяет усилия, на которые рассчитывается исполнительный механизм, а также износ дроссельных поверхностей. Для многих видов исполнительных устройств, в которых затвор не разгружен от статического и динамического воздействий среды, предельно допустимый перепад давления устанавливается в зависимости от мощности исполнительного механизма.

Условным проходом ДУ в РО называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках. Стандартные размеры условных проходов не распространяются на размеры прохода внутри корпуса.

Кроме приведенных параметров РО, определяющих в основном их конструкцию и размеры, имеются и другие параметры, которые учитывают при выборе РО в зависимости от конкретных условий их применения.

Пропускная характеристика (внутренняя или идеальная) устанавливает зависимость пропускной способности относительно перемещения затвора при постоянном перепаде давления; .

Конструктивная характеристика устанавливает зависимость изменения относительно проходного сечения РО от степени его открытия, т.е. ,

где - площадь проходного сечения при перемещении РО;

- проходное сечение РО при полном открытии.

При соответствующем профилировании дроссельные устройства регулирующих клапанов могут иметь любые конструктивные характеристики, приспособленные к конструктивным условиям работы автоматических систем регулирования. Дроссельные устройства серийно выпускаемых регулирующих клапанов профилируются обычно с линейной или равнопроцентной пропускной характеристикой.

При линейной пропускной характеристике приращение пропускной способности пропорционально перемещению затвора:

где - постоянная величина.

При равнопрцентной пропускной характеристике приращение пропускной способности при перемещении затвора пропорционально текущему значению пропускной способности: .

Расходная характеристика. В рабочих условиях вид пропускной характеристики изменяется в зависимости от изменения перепада давлений на клапане. При этом РО характеризуется расходной характеристикой, которая представляет собой зависимость относительного расхода среды от степени открытия РО, т. е.

где - расход среды при степени открытия РО;

- расход среды при полностью открытом РО.

Минимальной пропускной способностью называют наименьшее значение пропускной способности, при котором сохраняется пропускная характеристика в пределах установленного допуска; она определяется как минимальный расход жидкости плотностью 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при перепаде давления на нем до 0,1 МПа.

Во многих случаях автоматизации производственных процессов РО должны иметь широкий диапазон изменения пропускной способности, которым называют отношение условной пропускной способности к минимальной. Двухседельные регулирующие клапаны, например, имеют диапазон пропускной способности 25-30.

Негерметичность затвора, т.е. пропуск среды при полностью закрытом проходе, также является характеристикой РО. Для надежности и качества регулирования негерметичность затвора должна быть минимальной.

Для регулирования расхода жидкости и газов применяют дроссельные органы следующих основных типов: шиберы, поворотные заслонки и регулирующие клапаны. Все они имеют подвижное устройство, при перемещении которого изменяются проходное сечение и гидравлическое сопротивление регулирующего органа.


Шиберы. В шиберах затвор, выполненный в виде полотна (1), перемещается перпендикулярно направлению потока (рис.5.1). Шиберы широко применяются

 

а) б) в)

Рис. 5.1.: конструкция прямоугольного (а) и круглого (б, в) шиберов

 

для регулирования расходов воздуха и газов при небольших статических давлениях (до 0,01 МПа), а также для дозирования сыпучих материалов. Шиберы устанавливают на трубопроводах, коробах и каналах любой формы сечения, но обычно они применяются на трубопроводах и каналах прямоугольного 2 и круглого 3 сечений.

Шиберы в прямоугольных каналах (рис. 5.1, а) имеют обычно линейную конструктивную характеристику (1) (рис. 5.2). Однако путем изменения профиля сечения канала или профиля дроссельного органа можно получить конструктивную характеристику шибера любой формы.

Шиберы, устанавливаемые на трубопроводах круглого сечения (рис.5.1,б,в), имеют нелинейные конструктивные характеристики (2) и (3) (рис.5.2). Конструктивные характеристики круглых шиберов, как и прямоугольных, с помощью вставок в канале и вырезов полотна можно получить любой формы. Наибольшее применение имеют шиберы прямоугольного типа и круглого сечений без вставок с простейшей формой рабочего полотна.

 

Рис. 5.2.: конструктивные характеристики прямоугольного

и круглых шиберов.

 

Шиберы изготавливают из разных материалов в зависимости от условий работы. Для работы на инертных газах с температурой до 300 ºС шиберы изготавливают из листовой стали; при температуре выше 300 ºС - из чугуна. Для регулирования агрессивных газов применяют шиберы из легированных сталей или со специальным покрытием.

При расчете шиберов кроме определения пропускной характеристики определяют также усилие, необходимое для перемещения дроссельного органа. Наибольшее усилие для перемещения шибера требуется в положении минимального открытия. Его значение

где Р - усилие;

K - коэффициент трения;

Δp - перепад давления на шибере;

A - площадь подвижной части шибера, на которую действует перепад давления;

m - масса подвижной части.

Коэффициент трения обычно применяют равными: для чугуна по чугу-ну - 0,15; для чугуна по стали - 0,18; для стали по чугуну - 0,14. Мощность привода выбирают с большим запасом, т.к. коэффициент значительно возрастает из-за загрязнения опорной поверхности в процессе эксплуатации.

Поворотные заслонки. Поворотные заслонки могут применяться на трубопроводах как круглого, так и прямоугольного типа сечений для регулирования потоков воздуха и газов при небольших статических давлениях. В некоторых случаях заслонки применяют для регулирования расхода жидкости, пара и газов при средних и высоких давлениях, а также сыпучих материалов. Изменение проходного сечения заслонки осуществляется путем ее вращения вокруг оси, расположенной перпендикулярно направлению потока.

Поворотные заслонки как регулирующие органы имеют много преимуществ перед шиберами и другими типами регулирующих органов. Так, в поворотных заслонках затвор в значительной мере разгружен, т.к. силы, создаваемые давлением среды на обе его половины, частично уравновешиваются. Поэтому для поворота затвора нужен исполнительный механизм относительно небольшой мощности. Кроме того, поворотные заслонки выгодно отличаются от регулирующих органов других типов простотой конструкции, небольшими габаритными размерами и массой. При одинаковых размерах условного прохода они обладают большей пропускной способностью, чем двухседельные регулирующие клапаны, примерно на 50 %.

Конструктивная характеристика поворотных заслонок показана на рис. 5.4. Конструктивные характеристики заслонок для прямоугольных и круглых трубопроводов определяются уравнением

где Fз.с – площадь прохода между затвором и седлом;

Fc – площадь прохода в седле, примерно равна площади условного прохода трубопровода;

a – угол поворота затвора от положения, при котором проход закрыт.

 

Рис. 5.3.: конструкция безупорной поворотной заслонки

 

Рис. 5.4.: конструктивная характеристика поворотной заслонки

 

По конструкции поворотные заслонки могут быть с одним затвором (однолопастные) и несколькими затворами (многолопастные), безупорные и упорные. В безупорных заслонках (рис.5.3) затвор имеет форму окружности и при закрытом проходе находится в вертикальном положении, причем диаметр окружности затвора несколько меньше диаметра прохода в корпусе, поэтому проход полностью не закрывается. Безупорные заслонки являются только регулирующими. Однако с помощью дополнительных устройств (затвор с различными уплотнительными кольцами, седло с резиновым покрытием) в безупорных заслонках достигается герметичность, при которой они могут быть использованы как запорно-регулирующие.

В упорных заслонках затвор имеет эллиптическую форму и закрывает проход с меньшими зазорами. В закрытом положении в упорной заслонке затвор находится под углом a = 10¸15 ºС к вертикали. Упорные заслонки могут быть использованы как запорно-регулирующие, но их нельзя применять для работы на загрязненных газах и жидких растворах, из которых могут быть выделяться твердые частицы.

Заслонки предназначены для регулирования расходов до 10000 м3/г при небольших перепадах давления. Диск промышленных заслоночных РО поворачивается от О, когда он расположен перпендикулярно оси трубопровода, до 60 ºС. При этом пропускная способность изменяется от минимальной до максимальной. Условный проход заслоночных РО колеблется от 80 до 600 мм.

В положении промежуточного открытия диск заслонки разделяет поток на две неравные части, в результате этого расход среды и скорости потоков через верхнюю и нижнюю щели будут неодинаковы. При этом вследствие разного статического давления среды перед диском (вверху и внизу) на него действует реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть его таким образом, чтобы закрыть проход.

Для определения вращающего момента можно воспользоваться следующей формулой:

,

где α – коэффициент, зависящий от угла поворота диска a;

ΔP - перепад давления на диске;

D - диаметр диска.

Перестановочный момент который должен создавать ИМ для вращения затвора, определяется реактивным вращающим моментом и моментом сил трения в подшипниках. При открытии прохода эти моменты складываются, а при закрытии вычитаются. Ввиду того что момент сил трения трудно учитывать, обычно значение перестановочного момента выбирают в 2 раза больше реактивного вращающего момента.

Регулирующие клапаны: Регулирующие клапаны являются наиболее распространенным видом дросселирующих регулирующих органов. Они применяются для регулирования расходов жидкостей, паров и газов при любых параметрах среды.

Регулирующие клапаны различают по материалу, из которого они изготавливаются, по конструкции пары затвор-седло, виду пропускной характеристики, присоединительным размерам, условной пропускной способности и др. Основные детали серийно выпускаемых кланов изготавливают из серого чугуна, углеродистой стали, нержавеющей стали, нержавеющей стали различных марок.

По виду запорного устройства пары затвор-седло различают односедельные клапаны. Первые из них имеют неуравновешенный затвор, т.к. регулируемая среда действует на них сверху и снизу с разными силами. Это рассогласование влияет на работу используемого привода, и поэтому односедельного клапаны применяют в исполнительных устройствах малых размеров при низких давлениях среды. Двухседельные клапаны имеют почти уравновешенный затвор, т.к. технологическая среда, обтекая его, создает противоположно направленные примерно одинаковые силы. Поэтому их используют в исполнительных устройствах больших размеров при высоких давлениях среды.

Двухседельные регулирующие клапаны изготавливаются нормального ("Воздух закрывает") и обратного ("Воздух открывает") исполнения.

Недостатком двухседельного клапана является относительно большое значение допустимой негерметичности затвора.

Перестановочное усилие, необходимое для перестановки двухседельного клапана, слагается из силы неуравновешенности статического давления среды на затвор, силы давления на шток и силы трения штока о сальниковую набивку. Сила статической неуравновешенности затвора Рз определяется как произведение разности площадей верхнего и нижнего сёдел корпусов ΔFc на максимальный перепад давления ΔPmax до и после клапана:

.

Сила давления среды на шток определяется как произведение площади сечения штока в месте, где он проходит через сальник, на максимальное выходное давление за клапанами Pкл :

.

Кроме того, на затвор действует сила, создаваемая динамическим воздействием протекающей среды, которая может достигать большого значения. Так как силу трения штока в сальнике и силу, создаваемую динамическим воздействием среды, трудно учитывать, то значение перестановочного усилия, определяемое суммой сил статистической неуравновешенности и давления на шток, выбирают с некоторым запасом.

По конструкции затворы двухседельных регулирующих клапанов разделяют на тарельчатые, пробковые и поршневые.

Односедельные регулирующие органы, также, как и двухседельные, по конструкции могут быть с тарельчатым, пробковым и поршневым затворами.

Односедельные РО могут быть проходными и угловыми. В проходных органах направление потока среды при входе и выходе не изменяется, а в угловых изменяется при выходе на 90 ºС по отношению к направлению на входе. Односедельные РО применяют в тех случаях, когда невозможно применение разгруженных двухседельных РО. Важным преимуществом односедельных РО является то, что они могут обеспечивать герметичность закрытия прохода. Кроме того, односедельные клапаны применяют при малых размерах проходов (до 15мм), когда изготовление двухседельных клапанов связано с большими трудностями, а также при больших проходах, если среда обладает большой вязкостью или содержит твердые частицы.

При регулировании сред с большим перепадом давления на клапане (ΔP>1,5 МПа) или когда объем регулируемой среды при выходе из щели между затвором и седлом резко увеличивается, а также при регулировании вязких сред и сред, содержащих твердые частицы, рекомендуется применять угловые односедельчатые клапаны, т.к. в угловых клапанах меньше мертвых пространств для оседания и кристаллизации твердых частиц.

Тарельчатые затворы (рис. 5.5) применяются с плоскими и коническими дросселирующими поверхностями. При плоских поверхностях высота подъема затвора составляет 0,3-0,4 Дс, где Дс – диаметр седла. При конически дросселирующих поверхностях проходным сечением клапана является щель между конической кромкой тарелки и опорной поверхностью седла. Клапаны этого типа изготавливают чаще с углом конусности a = 90º.

Конструктивную характеристику тарельчатого клапана (рис. 5.6) с коническими дросселирующими поверхностями с достаточной для практики точностью можно считать линейной.

 

Рис.5.5.: тарельчатый затвор односедельного регулирующего клапана

 

Рис.5.6.: конструктивная характеристика тарельчатого клапана.

 

Односедельные РО с пробковым затвором имеют такие конструктивные характеристики, как и двухседельные.

Односедельные РО с поршневым затвором имеют в зависимости от профиля вырезов различные конструктивные характеристики.

Перестановочное усилие, необходимое для перемещения затвора в односедельном РО, слагается из сил давления среды на шток, трения штока о сальниковую надбивку и силу, создаваемой статической неразгруженностью затвора. Для односедельных РО, в которых среда прижимает затвор к седлу, ИМ должен подбираться с достаточным запасом перестановочного усилия, чтобы при работе на узкой щели затвор не затягивался в проход седла.