НПАА. Шпаков О.Н. Регулирующая арматура и регуляторы

Джеймс Уатт сделал громадный вклад в изобретение оригинальных конструкций трубопроводной арматуры, впервые доказав преимущества запорных клапанов при управлении паровыми потоками. С появлением новых паровых машин появился быстрорастущий спрос на клапаны и другую придуманную Уаттом арматуру, что явилось мощным стимулом в появлении новых специализированных на ее производстве компаний. Но вклад выдающегося ученого и изобретателя этим не ограничился. Джеймс Уатт создал первый в мире регулятор частоты вращения вала паровой машины (рис. 1).

Промышленная революция существенно ускорила создание систем регулирования в новых технологических процессах. Функция регулирования параметров рабочей среды является важнейшей для трубопроводной арматуры. Технологические процессы в технике, протекающие с участием жидкостей и газов, требуют обеспечения заранее заданного режима, определяемого температурой, давлением, производительностью и концентрацией компонентов.

Регулирование режима работы установки, агрегата и системы осуществляется путем изменения расхода соответствующей среды. К регулирующей арматуре относятся регулирующие клапаны, краны, затворы и регуляторы. Особенностью регулирующей арматуры является расположение регулирующего элемента, чаще всего плунжера, в промежутке между положениями «закрыто» и «открыто».

При отклонении от заданной величины параметра рабочей среды поступает сигнал на чувствительный элемент регулятора, формирующего командный сигнал для позиционера. В позиционере вырабатывается управляющий сигнал, который поступает в привод на перемещение регулирующего элемента клапана для устранения отклонения параметра от заданной пропускной характеристики, т. е. зависимости пропускной способности от хода арматуры. Привод приводит регулирующий элемент в положение, ликвидирующее отклонение.

При достижении нужного положения в позиционер поступает соответствующий сигнал через рычаг жесткой обратной связи, соединяющий шток привода (исполнительного механизма) или плунжер клапана с позиционером, а регулирующий элемент занимает соответствующее положение.

Подавляющее большинство регулирующих клапанов снабжается электрическими, пневматическими, электропневматическими или гидравлическими позиционерами. Позиционер – это прибор, предназначенный для уменьшения рассогласования фактического и заданного положения плунжера путем обратной связи по положению выходного элемента исполнительного механизма для управления перемещением штока строго пропорционально заданному параметру.

Таким образом, исключается влияние сил трения, неуравновешенности плунжера, изменений эффективной площади мембраны с ходом плунжера, вязкости рабочей среды и некоторых других факторов на положение плунжера, т. е. сводится к минимуму рассогласование между командным давлением и действительным ходом плунжера.

При действии указанных факторов рассогласование может быть велико и доходит до 30 %, например, в мембранных регулирующих клапанах. Позиционеры уменьшают рассогласование до 1,5-2 % и менее, снижают запаздывание работы регулирующих клапанов, поскольку объем полостей позиционера во много раз меньше объема мембранной камеры исполнительного механизма.

Применение позиционеров целесообразно в системах точного регулирования, когда рассогласование выходит за пределы допустимых погрешностей, при высоких давлениях среды, и возникает необходимость сильной затяжки сальника, создаются большие силы трения и неуравновешенности плунжера; при работе регулирующего клапана на вязких средах, на пульпе, шламе, суспензиях, а для перемещения плунжера требуются большие перестановочные усилия при больших перепадах давления на клапане (более 0,4-1,6 МПа в зависимости от номинального диаметра клапана и неуравновешенности плунжера).

Нечувствительность – величина, равная половине зоны нечувствительности. При малых значениях нечувствительности она считается хорошей. Зона нечувствительности – это максимальная разность подаваемых давлений в исполнительный механизм, измеренных при одной и той же величине прямого и обратного хода регулирующего элемента.

Самым простым регулирующим устройством является регулирующий клапан (рис. 2), который отличается от запорного формой регулирующего элемента.

Для изменения расхода регулирующий элемент перемещается относительно седла, перекрывая его отверстие в большей или меньшей степени. Регулирующий элемент прямоходного клапана называется плунжером. Плунжеры бывают стержневые, полые (юбочные), сегментные, тарельчатые и перфорированные (клеточные). Чаще других в клапанах применяются стержневые (игольчатые) и полые плунжеры.

В арматуре со стержневым плунжером регулирование производится изменением щели между седлом и плунжером. В полых плунжерах изменяется открытая площадь окон для прохода среды, в сегментных – площадь щели, имеющей форму сегмента. Перфорированный плунжер представляет собой полый цилиндр с большим числом сквозных отверстий на боковой поверхности. Он применяется для чистых сред при больших перепадах давления.

Регулирующие клапаны могут быть односедельными и двухседельными. Чаще других применяются двухседельные регулирующие клапаны. Односедельные клапаны используются, лишь когда площадь плунжера невелика или требуется надежная герметичность в закрытом положении. Недостатком односедельных клапанов является неуравновешенность плунжера, которая при больших диаметрах седла создает большие продольные (перестановочные) усилия.

Регуляторы давления составляют большую группу регулирующей арматуры. Это регулирующая арматура, управляемая автоматически воздействием рабочей среды на регулирующий или чувствительный элемент. Регуляторы давления предназначены для поддержания давления рабочей среды в заданном диапазоне «до себя» или «после себя» в зависимости от участка или контура системы, расположенной до или после него.

Именно на чувствительный элемент поступает сигнал от датчиков соответствующих параметров, настроенных на заданную величину в случае отклонения от равновесного положения. Этот сигнал стремится вернуть отклонившийся от этого положения чувствительный элемент в прежнее положение. Если перемещение чувствительного элемента не привело к его равновесному состоянию, на него продолжает воздействовать усилие пружины, груза или давления сжатого воздуха, содержащегося в специальной емкости – камере нагружения. 

Существуют также регуляторы перепада давления, поддерживающие перепад давления на гидравлических сопротивлениях и участках систем (например, расходомерных шайбах, байпасах насосов и т. д.) в заданном диапазоне. Регуляторы расхода, предназначенные для стабилизации расхода в различных технологических системах, регуляторы температуры поддерживают температуру рабочей среды в помещении, сосуде, емкости или в трубопроводе. Регуляторы уровня обеспечивают сохранение постоянного уровня жидкости в сосуде или емкости.

Регуляторы давления представляют собой конструкции автоматически действующей арматуры, снабженные чувствительными элементами и управляющими приводами. Чувствительным элементом (передатчиком командных сигналов от объекта регулирования к силовому устройству) служат резиновая мембрана, сильфон или поршень.

Эти устройства называются задатчиками. Происходит силовое замыкание подвижной системы чувствительного элемента с задатчиком – грузом, пружиной или давлением воздуха камеры нагружения. С изменением давления на контролируемом участке изменяется степень открытия регулирующего элемента в сторону, необходимую для восстановления исходного давления. Это выполняется в связи с влиянием задатчиков, которые в зависимости от настройки и жесткости создают различные усилия для перемещения плунжера.

Регуляторами прямого действия являются регуляторы, работающие от энергии рабочей среды без использования вспомогательных устройств (импульсных механизмов и др.). Регулятор обычно настраивается на определенный интервал давлений, а изменение хода плунжера происходит при изменении давления рабочей среды. С изменением расхода изменяется и отрегулированное давление.

Приращение давления, необходимое для подъема плунжера на 1 мм, представляет собой зону регулирования (разность между значениями регулируемого давления при 10 % и 90 % максимального расхода) и зону пропорциональности (величина изменения регулируемого параметра, необходимая для перестановки регулирующего элемента на номинальный ход), которые являются одними из важных характеристик регуляторов.

На точность работы регулятора давления оказывает влияние порог чувствительности, определяемый по минимальному значению изменения давления, необходимого для того, чтобы плунжер изменил свое направление движения на обратное. Регуляторы давления имеют сравнительно простую конструкцию. Груз или пружина обеспечивают силовое замыкание подвижной системы, заставляя плунжер перемещаться, а мембранный или поршневой исполнительный механизм ограничивает перемещение плунжера в зависимости от параметра среды на контролируемом участке.

Пропускная характеристика регулятора давления «давление – ход плунжера» зависит от жесткости пружины и от изменения эффективной площади мембраны с ходом плунжера (жесткости мембраны). На характер изменения эффективной площади мембраны оказывают влияние диаметры мембраны и грибка под мембраной, толщина и свойства материала.

Регуляторы непрямого действия – это регуляторы, работающие от энергии рабочей среды без использования вспомогательных устройств – импульсных механизмов.

Чаще всего регулятор давления состоит из двухседельного тарельчатого клапана, снабженного мембранным рычажно-грузовым исполнительным механизмом, в котором полный ход штока требуется небольшой. В двухседельных регуляторах давления «после себя» мембранная головка соединяется с участком трубопровода после регулятора (по направлению потока), а двухтарельчатый плунжер устанавливается относительно седла тарелками вверх, так что при подъеме плунжера регулирующий элемент открывается.

В регуляторах давления «до себя» мембранная головка соединяется с участком трубопровода до регулятора (с учетом направления потока), а плунжер устанавливается тарелками вниз, при его подъеме затвор закрывается. Таким образом, при изменениях давления на контролируемых участках трубопровода перемещение плунжера регулятора способствует сохранению заданного давления.

Регулятор давления «после себя» прямого действия, работающий в условиях, когда отрегулированное давление Р2 меньше половины регулируемого Р1 , т. е. при Р2 < 0,5Р1 , называется редукционным клапаном. В конструкциях регуляторов (кроме мембранного) используется также поршневой привод. При повышенных давлениях и температурах в качестве чувствительного элемента применяются металлические мембраны, а нагружение производится с помощью пружины. Это создает возможность использовать компактные конструкции, обладающие малой инерционностью и достаточной чувствительностью.

Регулятор прямого действия (редукционный клапан) (рис. 5) с поршневым приводом и внутренним импульсным механизмом (пилотным устройством) используется для редуцирования давления пара, воздуха или газа, их конструкция обеспечивает повышенную точность регулирования. На металлическую мембрану импульсного механизма действует отрегулированное давление за клапаном. При понижении давления мембрана под действием пружины опускается и открывает импульсный клапан, управляющий подачей среды до клапана на поршень, который, опускаясь вниз, открывает отверстие седла в корпусе. Регулирование давления осуществляется путем изменения поджатия главной пружины. Регулятор давления снабжается несколькими сменными пружинами для разных диапазонов регулируемого давления.

Принцип работы регулятора давления с газовой камерой нагружения следующий. Камера нагружения заполняется газовой рабочей средой определенного, заранее заданного, давления, после чего герметично отключается запорным клапаном. Для контроля заданного давления на подводящей линии устанавливается манометр. Газ поступает во входной патрубок, проходит через фильтр под золотник регулятора и по зазорам между золотником и седлом – в подмембранную полость и далее в выходной патрубок. При повышении давления на входе золотник приоткрывает проход в седле, при этом давление в подмембранной полости повышается и мембрана вместе с золотником перемещается вверх, перекрывая проход в седле, в результате чего давление на выходе остается постоянным.

Регулятор уровня (рис. 6) предназначен для поддержания уровня жидкости в сосуде в установленных пределах заданной высоты. Сосуд может находиться под давлением, а во многих случаях избыточное давление отсутствует и сосуд соединен с атмосферой, т. е. является резервуаром. В таких условиях находятся, например, резервуары с нефтепродуктами или водой. Поддержание уровня в сосуде может осуществляться путем впуска дополнительного количества жидкости (тогда регулятор уровня называют регулятором питания) или путем выпуска избыточного количества жидкости (тогда регулятор уровня называют регулятором перелива).

В регуляторах прямого действия датчиком положения уровня служит обычно поплавок в виде полого шара или цилиндра, соединенный рычажной передачей с регулирующим элементом клапана или крана. При подъеме или опускании уровня за установленные пределы подъемная сила, создаваемая поплавком при поступлении в сосуд жидкости, или его масса при опускании уровня при помощи рычажной передачи перемещает регулирующий элемент клапана (крана) и рабочий орган исполнительного устройства открывается или закрывается в зависимости от принципа работы регулятора уровня.

Могут применяться и регуляторы уровня без рычажной передачи. В этом случае затвор клапана соединяется с поплавком при помощи штока. При подъеме поплавка поднимается и запирающий элемент клапана.

По принципу работы регуляторы уровня обычно действуют как ограничители уровня, т. к. при работе регулятора уровень не изменяется, а его положение ограничивается установленными пределами высоты, на которую регулятор заранее настраивается. Регуляторы уровня широко используются для регулирования (ограничения) уровня воды в различных сосудах энергетических установок.

Чаще всего регуляторы уровня применяются с клапаном, но могут применяться и с краном, однако последние имеют пониженную надежность в связи с тем, что пробка крана соприкасается с корпусом по большой поверхности и в зазор между ними могут попадать твердые частицы (накипь). Эти поверхности более чувствительны к действию коррозии и температурным колебаниям, чем уплотнительные поверхности клапана.

Регулирующая арматура, включая регуляторы, является чрезвычайно важным элементом для быстро развивающихся АСУ, технологических систем, включая космические. Необходимо организовать оцифровку арматуры путем создания математических моделей для быстрого получения результатов влияния параметров на системы. Это позволит существенно сократить затраты на изготовление и испытания материальных опытных образцов и значительно поднимет авторитет отечественного арматуростроения.

Примечание: часть иллюстраций заимствована из общедоступных источников в интернете.

Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 1 (63)