Регуляторы давления

РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА

Регулирующая арматура предназначена для регулирования или поддержания одного или нескольких параметров рабочей среды в технологических процессах и оборудовании за счет изменения расхода среды, проходящей через поперечное сечение. С помощью регулирующей арматуры поддерживают рабочее давление в системе, регулируют расход рабочей среды, поддерживают уровень жидкости в резервуарах на определенном уровне и прочие аналогичные действия. В зависимости от вида регулируемого параметра: давление, расход, температура, химический состав среды, существует очень большое многообразие регулирующей арматуры по конструктивному исполнению и принципу действия.

Регулирование может быть ручное или автоматическое. При ручном регулировании изменение степени открытия арматуры производится оператором по результатам показаний измерительных приборов. При автоматическом регулировании регулируемые параметры поддерживаются в нужных пределах путем автоматического управления арматурой, снабженной соответствующими приводами.

Система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и присоединенного к нему автоматического регулятора.

Автоматический регулятор состоит из измерительной и регулирующей систем. В измерительную систему входят: первичный элемент (поплавок, термопара, мембрана и т.д.), показывающее или регистрирующее устройство и передаточная связь.

Регулирующая система состоит из регулирующего устройства, исполнительного механизма и исполнительной связи, соединяющей регулирующее устройство и исполнительный механизм.

Исполнительный механизм в арматуре представляет собой дроссельное устройство, снабженное приводом, который может быть электрическим, электромагнитным, пневматическим, гидравлическим и т. д.

Регуляторы делят на регуляторы прерывистого и непрерывного действия. Связь прерывистого регулятора с контролируемой системой происходит периодически, его воздействие на определенный параметр системы осуществляется при достижении регулируемого параметра определенных значений, либо в определенные моменты времени (например, позиционные регуляторы). И только в эти моменты, происходит перемещение рабочего органа, т.е. это регуляторы импульсного действия. Связь регуляторов непрерывного действия с контролируемой системой происходит постоянно. И рабочий орган реагирует перемещением на изменение регулируемого параметра непрерывно. Яркий пример регулятора непрерывного действия, например, регулятор уровня, у которого связь между поплавком, рычагом и клапаном непрерывная. Наибольшее распространение в качестве регулирующей арматуры получили регулирующие клапана.

Регулирующий клапан представляет собой дроссельное устройство с регулируемым сечением отверстия для прохода среды.

Управление регулирующим клапаном может производиться непосредственным действием среды, транспортируемой по данному трубопроводу, либо от постороннего источника энергии.

В регулирующих клапанах, управляемых действием среды на привод плунжера, положение плунжера будет определяться соотношением сил, передаваемых на плунжер со стороны привода, и сил, действующих от давления среды непосредственно на плунжер. Такие регулирующие клапаны действуют автономно, не требуют преобразования одного вида энергии в другой, имеют свой первичный (чувствительный) элемент и по существу являются регуляторами прямого действия. К этой группе регуляторов относятся, например, регуляторы давления «до себя» и «после себя», регуляторы уровня и др. К регуляторам прямого действия относятся также регуляторы, предназначенные для значительного понижения давления, называемые редукционными клапанами. Регуляторы давления обычно имеют тарельчатый плунжер и небольшой ход.

В регулирующих клапанах, управляемых от постороннего источника энергии, связь давление-расход разорвана и осуществляется по элементам: давление-ход плунжера и ход плунжера - расход среды. В этих клапанах положение плунжера фиксируется приводом, действующим от постороннего источника энергии, управляемого чувствительным элементом, и не зависит или мало зависит от непосредственного воздействия давления транспортируемой среды по данному трубопроводу на привод и плунжер.

К этой группе относятся регулирующие клапаны с пневматическим, гидравлическим и электрическим приводами, смесительные клапаны и некоторые другие. Регулирующие клапаны могут быть использованы для решения самых разнообразных задач автоматического регулирования - регулирования давления, расхода, температуры, состава среды и пр., в зависимости от изменения тех или иных параметров различных звеньев технологического процесса или рабочего процесса машины. Регулирующие клапаны имеют обычно профилированный плунжер и значительный ход.

Автоматические регуляторы по характеристике действия подразделяются на следующие. Астатические регуляторы. Перемещение рабочего, при отклонении контролируемого параметра от заданного значения, происходит в одном направлении до тех пор, пока значение контролируемого параметра не достигнет нужного (заданного) значения. При перемене знака отклонения регулируемого параметра астатический регулятор меняет направление движения регулирующего органа. К астатическим типам регуляторов относятся и двухпозиционные регуляторы типа «открыто—закрыто».

Пропорциональные регуляторы, или статические. Изменение положения рабочего органа происходит в зависимости от степени отклонения значения контролируемого параметра от заданного рабочего значения. Например, так действуют регуляторы давления с мембранным исполнительным механизмом. Скорость перемещения рабочего органа зависит от скорости изменения контролируемого параметра в системе, и каждое положение рабочего органа соответствует определенному значению контролируемого параметра. Изодромные (равнобегущие) регуляторы, у которых совмещены свойства пропорциональных и астатических регуляторов. Пропорциональные свойства обеспечиваются обратной связью, а астатические или изодромные осуществляются механизмом изодрома, который после действия пропорциональной составляющей доводит параметр до заданного значения.

Пропорциональные, или изодромные регуляторы с предварением, у которых имеется дополнительное устройство, позволяющее осуществлять регулирование с учетом скорости изменения параметра. Регулирующий орган в этих регуляторах перемещается с некоторым опережением, величина которого пропорциональна скорости изменения регулируемого параметра.

Решающее значение имеет характеристика регулятора, она определяет зависимость между перемещением регулирующего органа и изменением регулируемого параметра, причем здесь оказывают влияние все элементы (реле, привод и т. д.), связанные с перемещением регулирующего органа (плунжера) при изменении регулируемого параметра.

При расчете и конструировании трубопроводной арматуры должна быть обеспечена необходимая расходная характеристика регулирующего органа. Различают конструктивную, внутреннюю расходную и рабочую расходную характеристики регулирующего органа. Конструктивная характеристика определяет зависимость между площадью открытого сечения и перемещением регулирующего органа (плунжера).

Внутренняя расходная характеристика плунжера определяет зависимость между условной пропускной способностью клапана Gy m/ч (коэффициентом пропускной способности kv) и ходом плунжера, выраженным в долях полного хода при постоянном перепаде давлений на клапане. В условиях эксплуатации, когда перепад давления на клапане меняется, внутренняя расходная характеристика изменяется и называется рабочей. При конструировании регулирующих клапанов общего назначения, как правило, задаются внутренней расходной характеристикой, по которой и проектируют плунжер, принимая ΔР — const.

Существует три основных типа внутренней расходной характеристики: линейная, параболическая и равно процентная (логарифмическая). При конструировании регулирующих клапанов для конкретных установок плунжер проектируют по рабочей расходной характеристике, для чего необходимо подготовить график зависимости перепада давлений на клапане от расхода среды через клапан.

Для того чтобы регулятор оказывал влияние на режим работы регулируемой системы, сопротивление регулирующего клапана должно составлять по возможности значительную часть сопротивления всей системы, в противном случае его влияние на систему будет мало и может даже наступить потеря регулируемости системы.

Основными параметрами влияющими на выбор конструкции регулирующего клапана являются его гидравлическое сопротивление и расходная характеристика. Значения их должны обеспечивать нормальное протекание технологических процессов на производствах в соответствии с заданной программой. Считают, что сечение проходного отверстия клапана должно быть менее 0,7 диаметра трубопровода, чтобы не могла возникнуть потеря регулируемости системы. На работу регулирующего клапана как элемента системы большое влияние оказывает сопротивление самой системы, поэтому размер клапана и его расходную характеристику следует подбирать только с учетом реальных условий его работы в системе. Выбор характеристики клапана не относится к области проектирования арматуры и решается при проектировании всей системы в целом.

Для проектирования регулирующего клапана обычно используют заранее подготовленные данные о пропускной способности, которую должен иметь клапан при заданных перепадах давления и расходной характеристике, которая должна быть осуществлена.

Для регулирования потоков среды в трубопроводах принципиально можно использовать любую схему работы затворов (вентиль, задвижку, кран, заслонку и т. д.). Однако эксплуатационные качества их различны, поэтому тип дросселирующего устройства выбирается в зависимости от среды, давления, температуры, расхода и других условий эксплуатации. Условия работы регулирующей арматуры более сложны, чем условия работы затворов, поэтому и конструкции должны быть разработаны с учетом соответствующих требований. Дросселирующее устройство должно обеспечивать необходимую зависимость изменения расхода от степени открытия арматуры (степени подъема плунжера). Привод должен обладать достаточной чувствительностью, т. е. способностью срабатывать при малейших изменениях давления на приводе: давления рабочей среды (для регуляторов прямого действия) или командного давления (для регуляторов непрямого действия). Порог чувствительности гк представляет собой минимальное изменение давления (в кГ/см²) на приводе, необходимое для того, чтобы началось перемещение дроссельного устройства (плунжера) при давлении в арматуре, равном Ру, и перепаде давления на плунжере в 1 кГ/см².

Конструкция регулирующего устройства должна обеспечивать нормальную работу также в случаях возникновения пульсаций давления в потоке внутри корпуса, поперечно-кольцевых потоков на поворотах струи, гидродинамических импульсов, эрозионного действия струи при больших скоростях и других явлений, возникающих при дросселировании жидкостей и газов (в частности, понижение температуры газов). Для обеспечения высокого качества процесса регулирования арматура в некоторых случаях приобретает довольно сложную конструкцию и схему работы.

При регулировании давления «после себя» давление до дросселирующего устройства Р1 называется регулируемым, давление за дросселирующим устройством Р2 называется отрегулированным; при регулировании давления «до себя», наоборот, давление Р1 называется отрегулированным, давление Р2 - регулируемым.