Регулирующий клапан

Регулирующий клапан — это клапан, используемый для управления потоком жидкости путем изменения размера проточного канала в соответствии с сигналом от контроллера. Это позволяет напрямую контролировать скорость потока и последовательно контролировать такие параметры процесса, как давление , температура и жидкости уровень .

В терминологии автоматического управления регулирующий клапан называется «элементом исполнительного управления».

Операция

Регулирующие клапаны с пневматическим приводом, каждый из которых оснащен преобразователем «I в P» 4–20 мА, встроенным в позиционер клапана. В этом примере каждый позиционер сравнивает ход штока клапана с сигналом управления и применяет любую коррекцию.

Открытие или закрытие автоматических регулирующих клапанов обычно осуществляется с помощью электрических , гидравлических или пневматических приводов . Обычно с модулирующим клапаном, который можно установить в любое положение между полностью открытым и полностью закрытым, используются позиционеры клапана, обеспечивающие достижение желаемой степени открытия клапана.

Клапаны с пневматическим приводом обычно используются из-за их простоты, поскольку для них требуется только подача сжатого воздуха, тогда как клапаны с электрическим приводом требуют дополнительных кабелей и переключающих устройств, а клапаны с гидравлическим приводом требуют линий подачи и возврата гидравлической жидкости под высоким давлением.

Пневматические сигналы управления традиционно основаны на диапазоне давлений 3–15 фунтов на квадратный дюйм (0,2–1,0 бар) или, что сейчас чаще, на электрическом сигнале 4–20 мА для промышленности или 0–10 В для HVAC систем . Электрическое управление теперь часто включает в себя «умный» сигнал связи, наложенный на управляющий ток 4–20 мА, так что о работоспособности и проверке положения клапана можно передать обратно контроллеру. HART Foundation , Fieldbus и Profibus являются наиболее распространенными протоколами.

Автоматический регулирующий клапан состоит из трех основных частей, каждая из которых существует в нескольких типах и исполнениях:

• Привод клапана – который перемещает регулирующий элемент клапана, например шар или дроссельную заслонку.
• Позиционер клапана – обеспечивает достижение клапана желаемой степени открытия. Это позволяет решить проблемы трения и износа.
• Корпус клапана – в котором находится модулирующий элемент, плунжер, шар, шар или бабочка.

Контрольное действие

Показана эволюция сигнализации аналогового контура управления от пневматической эры к электронной эпохе.

Пример токовых контуров, используемых для передачи сигналов измерения и управления. Конкретный пример использования интеллектуального позиционера клапана.

Проходной регулирующий клапан с пневматическим мембранным приводом и «умным» позиционером, который также передает контроллеру фактическое положение клапана.

На примере пневматического клапана возможны два действия управления:

• «Воздух или ток на открытие» – ограничение потока уменьшается с увеличением значения управляющего сигнала.
• «Воздух или ток на закрытие» – ограничение потока увеличивается с увеличением значения управляющего сигнала.

Также может быть сбой в режимах безопасности:

• «Отказ воздуха или управляющего сигнала на закрытие» – при отказе подачи сжатого воздуха в привод клапан закрывается под давлением пружины или за счет резервного питания.
• «Отказ воздуха или управляющего сигнала на открытие» – при отказе подачи сжатого воздуха в привод клапан открывается под давлением пружины или за счет резервного питания.

Режимы работы при отказе являются требованиями технического задания на управление технологическими процессами безопасности объекта. В случае с охлаждающей водой он может не открыться, а в случае подачи химикатов – закрыться.

Позиционеры клапанов

Основная функция позиционера — подача сжатого воздуха к приводу клапана таким образом, чтобы положение штока или вала клапана соответствовало заданному значению системы управления. Позиционеры обычно используются, когда клапан требует дросселирования. Позиционеру требуется обратная связь по положению от штока или вала клапана, и он подает пневматическое давление на привод для открытия и закрытия клапана. Позиционер должен быть установлен на узле регулирующего клапана или рядом с ним. Существует три основные категории позиционеров, в зависимости от типа управляющего сигнала, диагностических возможностей и протокола связи: пневматические, аналоговые и цифровые.

Пневматические позиционеры

Устройства обработки могут использовать пневматическую сигнализацию давления в качестве контрольной точки для регулирующих клапанов. Давление обычно модулируется в диапазоне от 20,7 до 103 кПа (от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм), чтобы переместить клапан от положения 0 до 100%. В обычном пневматическом позиционере положение штока или вала клапана сравнивается с положением сильфона, который получает пневматический управляющий сигнал. Когда входной сигнал увеличивается, сильфон расширяется и перемещает балку. Балка поворачивается вокруг входной оси, что перемещает заслонку ближе к соплу. Давление в форсунке увеличивается, что увеличивает выходное давление на привод через реле пневматического усилителя. Повышенное выходное давление привода приводит к перемещению штока клапана.

Движение штока передается балке посредством кулачка. Когда кулачок вращается, балка поворачивается вокруг оси обратной связи, слегка перемещая заслонку от сопла. Давление в сопле снижается и снижает выходное давление на привод. Движение штока продолжается, отводя заслонку от сопла до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Когда входной сигнал уменьшается, сильфон сжимается (при помощи внутренней пружины диапазона), и балка поворачивается вокруг входной оси, перемещая заслонку от сопла. Сопло опускается, и реле позволяет сбросить давление корпуса мембраны в атмосферу, что позволяет штоку привода двигаться вверх.

Через кулачок движение штока передается обратно на балку, чтобы переместить заслонку ближе к соплу. Когда достигнуты условия равновесия, движение штока прекращается и заслонка устанавливается таким образом, чтобы предотвратить дальнейшее снижение давления в приводе.

Аналоговые позиционеры

Второй тип позиционера — это аналоговый I/P-позиционер. Большинство современных процессоров используют сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА для модуляции регулирующих клапанов. Это вводит электронику в конструкцию позиционера и требует, чтобы позиционер преобразовывал электронный сигнал тока в сигнал пневматического давления (ток-пневматический или I/P). В типичном аналоговом позиционере I/P преобразователь получает входной сигнал постоянного тока и обеспечивает пропорциональный выходной пневматический сигнал через сопло/заслонка. Выходной пневматический сигнал подает входной сигнал на пневматический позиционер. В остальном конструкция такая же, как у пневматического позиционера.

Цифровые позиционеры

В то время как пневматические позиционеры и аналоговые I/P-позиционеры обеспечивают базовое управление положением клапана, цифровые контроллеры клапана добавляют еще одно измерение к возможностям позиционера. Этот тип позиционера представляет собой прибор на базе микропроцессора. Микропроцессор обеспечивает диагностику и двустороннюю связь для упрощения настройки и устранения неполадок.

В типичном цифровом контроллере клапана управляющий сигнал считывается микропроцессором, обрабатывается цифровым алгоритмом и преобразуется в сигнал тока привода для преобразователя I/P. Алгоритм управления положением выполняет микропроцессор, а не механический узел балки, кулачка и заслонки. По мере увеличения управляющего сигнала увеличивается управляющий сигнал преобразователя I/P, увеличивая выходное давление преобразователя I/P. Это давление подается на реле пневматического усилителя и обеспечивает два выходных давления на привод. С увеличением управляющего сигнала одно выходное давление всегда увеличивается, а другое выходное давление уменьшается.

Приводы двойного действия используют оба выхода, тогда как приводы одностороннего действия используют только один выход. Изменение выходного давления приводит к перемещению штока или вала привода. Положение клапана передается обратно в микропроцессор. Шток продолжает двигаться до тех пор, пока не будет достигнуто правильное положение. В этот момент микропроцессор стабилизирует управляющий сигнал преобразователя I/P до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Помимо функции управления положением клапана, цифровой контроллер клапана имеет две дополнительные возможности: диагностику и двустороннюю цифровую связь.

Широко используемые протоколы связи включают HART , FOUNDATION fieldbus и PROFIBUS.

Преимущества размещения интеллектуального позиционера на регулирующем клапане:

• Автоматическая калибровка и настройка позиционера.
• Диагностика в режиме реального времени.
• Снижение затрат на ввод в эксплуатацию контура, включая установку и калибровку.
• Использование диагностики для поддержания уровня производительности контура .
• Повышенная точность управления процессом, что снижает изменчивость процесса.

Типы регулирующего клапана

Регулирующие клапаны классифицируются по признакам и особенностям.

На основе профиля падения давления

• Клапан с высокой степенью восстановления: эти клапаны обычно восстанавливают большую часть перепада статического давления от впускного отверстия до контрактной вены на выходе. Для них характерен более низкий коэффициент восстановления. Примеры: дроссельный клапан, шаровой кран, пробковый клапан, задвижка.
• Клапан низкого восстановления: эти клапаны обычно частично восстанавливают перепад статического давления от впускного отверстия до контрактной вены на выходе. Они характеризуются более высоким коэффициентом восстановления. Примеры: проходной клапан, угловой клапан.

На основе профиля движения управляющего элемента

• Скользящий шток: шток клапана/плунжер перемещается линейно или прямолинейно. Примеры: проходной клапан, угловой клапан, задвижка клинового типа
• Поворотный клапан: Диск клапана вращается. Примеры: дисковый затвор, шаровой кран.

По функционалу

• Регулирующий клапан: управляет параметрами потока пропорционально входному сигналу, полученному от центральной системы управления. Примеры: проходной клапан, угловой клапан, шаровой клапан.
• Запорный/запорный клапан: Эти клапаны либо полностью открыты, либо закрыты. Примеры: задвижка, шаровой кран, проходной клапан, угловой клапан, пережимной клапан, мембранный клапан.
• Обратный клапан: пропускает поток только в одном направлении.
• Клапан подготовки пара: регулирует давление и температуру входной среды до требуемых параметров на выходе. Примеры: перепускной клапан турбины, станция сброса технологического пара.
• Подпружиненный предохранительный клапан: закрывается силой пружины, которая втягивается и открывается, когда входное давление становится равным усилию пружины.

По рабочей среде

• Ручной клапан: приводится в действие ручным колесом.
• Пневматический клапан: приводится в действие с помощью сжимаемой среды, такой как воздух, углеводород или азот, с помощью пружинной диафрагмы, поршневого цилиндра или привода поршневого пружинного типа.
• Гидравлический клапан: приводится в действие несжимаемой средой, такой как вода или масло.
• Электрический клапан: Приводится в действие электродвигателем.

Существует большое разнообразие типов клапанов и способов управления. Однако существует две основные формы действия: скользящий шток и поворотный.

Наиболее распространенными и универсальными типами регулирующих клапанов являются шаровые клапаны со скользящим штоком, шаровые с V-образным пазом, дроссельные и угловые. Их популярность обусловлена ​​прочной конструкцией и множеством доступных опций, которые делают их пригодными для различных технологических процессов. Корпуса регулирующих клапанов можно разделить на следующие категории:

Список распространенных типов регулирующего клапана

• Скользящий шток
  • Проходной клапан – Устройство регулирования расхода
  • Угловой корпус клапана
  • Поршневой клапан с наклонным седлом
  • Осевой клапан потока
• Роторный
  • Поворотный клапан – Устройство регулирования расхода
  • Шаровой кран – Устройство регулирования расхода
• Другой
  • Пережимной клапан – клапан закрывается путем сжатия трубки.
  • Мембранный клапан – Устройство регулирования расхода

См. также

• Обратный клапан – Устройство регулирования расхода
• Инженерия управления - инженерная дисциплина, посвященная системам управления.
• Система управления - Система, которая управляет поведением других систем.
• Распределенная система управления – Компьютеризированные системы управления с распределенным принятием решений.
• Фонд полевой шины
• Клапан управления потоком - клапан, который регулирует поток или давление жидкости.
• Протокол удаленного датчика с адресной автомагистралью , также известный как протокол HART — протокол промышленной автоматизации.
• Приборы - измерительные приборы, которые контролируют и контролируют процесс.
• ПИД-регулятор — механизм обратной связи контура управления. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Управление процессами — дисциплина, использующая производственный контроль для достижения уровня согласованности производства. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Profibus – протокол связи
• SCADA , также известная как система диспетчерского управления и сбора данных. Архитектура системы управления для наблюдения за машинами и процессами.

Внешние ссылки

• [1] Справочник по регулирующему клапану
• [2] Научно-исследовательский институт контроля жидкости
• [3] Журнал Valve World
• [4] Новая эра проектирования и проектирования клапанов
• [5] Приложение для проектирования клапанов на основе машинного обучения.