Что такое клапан управления? Как работают клапаны управления?

Как работают регулирующие клапаны?

В современном промышленном производстве точный контроль потока жидкостей (таких как газ, пар, вода или химические смеси), давления, температуры и уровня жидкости имеет решающее значение для обеспечения эффективности производства, качества продукции, безопасности эксплуатации и защиты окружающей среды. Являясь «конечным элементом управления» в системах промышленной автоматизации, регулирующие клапаны играют центральную роль в этой сложной и точной цепи управления. Они не просто простые устройства включения/выключения, а реагируют на сигналы от контроллеров, изменяя размер пути потока, тем самым достигая прямого и точного регулирования технологических переменных. Производительность регулирующих клапанов напрямую влияет на экономическую эффективность, безопасность и воздействие на окружающую среду промышленных процессов, что делает их стратегической инвестицией, а не простой покупкой оборудования.

Xiangjing, являясь одним из крупнейших поставщиков регулирующих клапанов и позиционеров клапанов в Китае, стремится предоставлять высококачественные решения для регулирующих клапанов, чтобы помочь отраслям достичь эффективного, безопасного и интеллектуального управления потоком. Для получения дополнительной информации посетите наш официальный веб-сайт: www.shgongboshi.com.

Основные компоненты регулирующего клапана

Регулирующий клапан — это не отдельный компонент, а интегрированная система, состоящая из нескольких прецизионных компонентов, работающих в тандеме. Его основные компоненты включают корпус клапана, внутренние детали клапана, привод и позиционер клапана, а также различные аксессуары, такие как преобразователи, регуляторы давления воздуха, ручные приводы, демпферы или концевые выключатели.

Корпус клапана: путь для жидкости и компонент, выдерживающий давление

Корпус клапана является основным конструктивным компонентом регулирующего клапана, и его конструкция определяет путь потока жидкости внутри клапана. Он служит сосудом под давлением с входными и выходными портами, через которые жидкость течет через порты и отверстия или отверстия внутри корпуса клапана. Основными функциями корпуса клапана являются выдерживание давления жидкости и обеспечение поддержки и герметичной среды для внутренних деталей клапана. Кроме того, конструкция корпуса клапана косвенно влияет на характеристики регулирования потока, поскольку сопротивление потоку жидкости и характеристики падения давления тесно связаны с конструкцией внутренних проходов внутри корпуса клапана.

Внутренние детали клапана: компоненты, непосредственно контактирующие с жидкостью, основные компоненты для регулирования потока

Внутренние детали клапана — это части регулирующего клапана, которые непосредственно контактируют с контролируемой жидкостью и являются основными компонентами для достижения регулирования потока. Они обычно состоят из седла клапана, диска клапана (или золотника) и штока клапана. Внутренние детали клапана точно контролируют количество проходящей жидкости, изменяя их относительное положение и зазор с седлом клапана. Например, когда диск или золотник клапана поднимается или поворачивается, площадь канала потока соответственно изменяется, тем самым регулируя поток жидкости. Геометрическая форма и выбор материала внутренних деталей клапана оказывают решающее влияние на их характеристики потока, износостойкость, коррозионную стойкость и герметичность.

Привод: обеспечивает движущую силу для работы клапана

Привод — это «мускул» регулирующего клапана, отвечающий за преобразование абстрактных сигналов от системы управления в механическую силу для приведения в движение внутренних деталей клапана для физического перемещения. При получении управляющего сигнала он соответствующим образом приводит в действие клапан для достижения полностью открытого, полностью закрытого или любого промежуточного положения, тем самым реализуя точное дроссельное регулирование потока жидкости.

Приводы можно классифицировать по различным типам в зависимости от их источника питания и режима движения:

Классификация по режиму движения:

• Линейные приводы: Создают линейное возвратно-поступательное движение, подходят для клапанов, которым требуется перемещение штока клапана вверх и вниз, таких как седельные клапаны, шиберные задвижки и мембранные клапаны.
• Роторные приводы: Создают вращательное движение, подходят для клапанов, которым требуется вращение диска или шара клапана, таких как шаровые краны, поворотные заслонки и пробковые краны.

Пневматический регулирующий клапан Fisher

Классификация по источнику питания:

• Пневматические приводы:

• Принцип работы: Использует сжатый воздух или газ в качестве источника питания, прикладывая давление воздуха к диафрагме или поршню для создания линейного или вращательного движения. Давление воздуха может попеременно воздействовать на обе стороны поршня для достижения двунаправленного движения (двустороннее действие) или воздействовать только на одну сторону с пружиной, обеспечивающей возвратное усилие (одностороннее действие). Вращательное движение обычно достигается с помощью реечно-шестереночного механизма.
• Преимущества:

1. Быстрое время отклика: Обычно достигает 50–500 мм/с, быстрее, чем гидравлические или электрические системы.
2. Взрывобезопасность: Не зависит от электричества и не производит искр, что делает его очень подходящим для легковоспламеняющихся и взрывоопасных опасных сред.  
3. Простая конструкция, легкий вес, простота установки и обслуживания: Обычно более низкая стоимость.  
4. Простая регулировка выходного усилия и рабочей скорости.  
5. Высокая надежность и длительный срок службы.  
6. Может накапливать энергию, обеспечивать централизованную подачу воздуха и быстро высвобождать энергию для достижения высокой скорости отклика.
7. Высокая устойчивость к ударным нагрузкам и перегрузкам.  
8. Может использоваться в условиях высоких температур.  

• Недостатки:  

1. Ограниченное выходное усилие: По сравнению с гидравлическими приводами их выходное усилие обычно меньше.  
2. Относительно низкая точность: Из-за сжимаемости воздуха скорость работы цилиндра легко подвержена влиянию изменений нагрузки, а его низкоскоростная стабильность уступает гидравлическим цилиндрам.  
3. Требуется система подачи сжатого воздуха: Это включает дополнительные затраты на компрессоры и трубопроводы.
4. Выход из строя компрессора может привести к неисправности всех пневматических приводов: Однако этот риск можно смягчить с помощью резервной системы компрессора.  
5. Быстрая цикличность может вызвать гидроудары.  
6. Производительность подвержена воздействию воды и экстремальных температур.  

• Типичные области применения: Широко используются в системах управления технологическими процессами, химической, пищевой и пивоваренной промышленности, очистке сточных вод, энергетике, горнодобывающей промышленности и атомной энергетике, где требуется быстрое движение и взрывобезопасность.

• Электрические приводы:

• Принцип работы: Приводимый в действие электродвигателем, вращательное движение двигателя преобразуется в линейное или вращательное движение с помощью передаточных механизмов, таких как винты, шестерни или ремни, для приведения в действие клапанов. Шаговые двигатели или серводвигатели обычно используются для достижения высокоточного управления.
• Преимущества:

1. Высокая точность и повторяемость позиционирования: Обеспечивает чрезвычайно точное и повторяемое позиционирование клапана, что делает его идеальным для автоматизированных задач.
2. Легко программировать и интегрировать: Бесшовно соединяется с цифровыми системами управления и может быть запрограммирован для достижения сложных шаблонов движения.
3. Высокая энергоэффективность: Обычно потребляет меньше энергии, чем гидравлические или пневматические приводы в приложениях со статической нагрузкой.
4. Низкие требования к техническому обслуживанию: Благодаря меньшему количеству деталей и отсутствию жидкостных систем требования к техническому обслуживанию чрезвычайно низки.
5. Бесшумная работа.
6. Не подвержен влиянию колебаний напряжения и частоты питания.
7. Регулируемая скорость вращения.

• Недостатки:  

1. Более высокая стоимость: Обычно дороже пневматических приводов.
2. Относительно низкая скорость: Особенно в приложениях, требующих высокой тяги.
3. Зависит от источника питания: Требуется резервный источник питания или пружинный механизм возврата во время отключения электроэнергии для обеспечения безопасности.
4. Не подходит для взрывоопасных сред: Если только не разработан специально для защиты от взрыва.
5. Сложная конструкция, требующая специальных знаний для установки и обслуживания.

• Типичные области применения: Широко используются в производстве электроэнергии, очистке воды, фармацевтике, роботизированных манипуляторах, конвейерных лентах, автоматизированных сборочных линиях, сельскохозяйственной технике, системах вентиляции и освещения, а также в оборудовании для обработки и очистки материалов, где требуется точное управление и высокий уровень интеграции автоматизации.

• Гидравлические приводы:

• Принцип работы: Использует жидкость под давлением (обычно гидравлическое масло) в качестве источника питания для преобразования давления жидкости в механическое движение. Несжимаемость гидравлического масла обеспечивает стабильное и надежное позиционирование клапана, при этом для создания мощной тяги обычно используются поршни, а не диафрагмы.
• Преимущества:  

1. Высокое выходное усилие/крутящий момент: Способен создавать значительную механическую силу, подходит для работы с большими, тяжелыми или высокими давлениями клапанами, с выходным усилием, намного превышающим усилие пневматических приводов.  
2. Высокоточное позиционирование: Благодаря несжимаемости гидравлического масла оно обеспечивает высокоточное и стабильное позиционирование клапана.  
3. Быстрое время отклика: Подходит для аварийного отключения (ESD) и применения клапанов, требующих быстрого действия.
4. Прочный и надежный, с относительно низкими требованиями к техническому обслуживанию и длительным сроком службы.  
5. Может реализовывать механизмы защиты от неисправностей.  

• Недостатки:  

1. Сложная система с более высокими затратами: Требует специальной системы гидравлического насоса, что делает установку и проектирование системы более сложными.  
2. Риск утечки жидкости: Требуется регулярное техническое обслуживание для предотвращения утечки гидравлического масла.  
3. Не подходит для всех сред: Некоторые конструкции могут иметь ограничения.

• Типичные области применения: В основном используются в нефте- и газопроводах, электростанциях, нефтегазовой промышленности, плотинах и гидроэлектростанциях — тяжелые промышленные применения, требующие высокой силы, высокого крутящего момента и быстрого реагирования.

• Электрически-гидравлические приводы: Эти приводы сочетают в себе преимущества электродвигателей и гидравлических силовых агрегатов, предлагая высокое выходное усилие гидравлических систем при достижении точности электрического управления. Они особенно подходят для удаленных мест, требующих точного управления положением клапана.

В следующей таблице сравниваются различные типы приводов:

Позиционер клапана: обеспечение точного позиционирования клапана

Позиционер клапана служит критическим «мозгом», позволяющим регулирующим клапанам достигать высокой точности, отзывчивости и стабильности. Он играет незаменимую роль в узлах регулирующих клапанов, особенно когда клапаны требуют дроссельного регулирования.

Позиционер клапана Emerson Fisher

Функция и важность позиционеров клапанов

Основная функция позиционера клапана — обеспечить точное соответствие фактического положения штока или вала клапана командному сигналу, выдаваемому системой управления. Постоянно контролируя фактическое положение клапана и внося корректировки, он эффективно преодолевает присущие механические ограничения внутри клапана, такие как трение от уплотнения штока клапана, запаздывание привода и неуравновешенные силы, воздействующие на золотник клапана.

Позиционер использует свой внутренний механизм управления с обратной связью по замкнутому контуру для непрерывной регулировки давления, прикладываемого к приводу, тем самым «противодействуя любым другим силам, действующим на шток клапана», обеспечивая «правильное поведение» клапана и «подчинение управляющему сигналу». Эта точная способность управления значительно улучшает общую производительность системы управления, в том числе:

Повышенная точность управления: Обеспечение точного соответствия фактической скорости потока управляющему сигналу имеет решающее значение для процессов, чувствительных даже к незначительным отклонениям.

• Более быстрое время отклика: За счет быстрой загрузки и выпуска сокращается время, необходимое для изменения процесса отклика клапана.
• Повышенная стабильность процесса: Компенсация изменений условий процесса (таких как колебания давления и изменения скорости потока) поддерживает постоянное управление, что имеет решающее значение для качества продукции и безопасности системы.
• Сокращение отходов и повышение безопасности: Оптимизирует использование ресурсов и снижает риски несчастных случаев за счет точного управления.  
• Увеличенный срок службы клапана и снижение затрат на техническое обслуживание: Минимизирует износ, компенсируя изменения производительности клапана с течением времени, обеспечивая профилактическое техническое обслуживание.  
• Усиление сигнала: Позиционер может обрабатывать более высокие скорости потока воздуха, тем самым также функционируя как усилитель объема, обеспечивая более высокие скорости штока клапана и меньшие задержки по времени.
• Достижение плотного перекрытия: Насыщая выход до минимума при 0% сигнала, золотник клапана плотно прижимается к седлу, обеспечивая надежное перекрытие без утечек.
• Критично для безпружинных поршневых приводов двойного действия и электрических приводов без присущей им способности определения положения.

Принцип работы позиционера клапана: управление с обратной связью по замкнутому контуру

Основой работы позиционера клапана является его система управления с обратной связью по замкнутому контуру. Он получает входные сигналы (заданное значение) от системы управления, измеряя фактическое положение штока или вала клапана (сигнал обратной связи) механическими или электронными средствами. Контроллер внутри позиционера сравнивает разницу между заданным значением и фактическим положением, вычисляет сигнал ошибки и регулирует выходной сигнал (обычно пневматическое давление), отправляемый на привод, на основе этой ошибки, тем самым заставляя клапан перемещаться к желаемому положению, пока ошибка не будет устранена.

• Подробный принцип работы пневматических позиционеров:
  Пневматические позиционеры обычно работают по принципу баланса сил. Когда сигнал приборного воздуха увеличивается, он воздействует на сигнальную диафрагму, заставляя шток клапана, соединенный с сигнальной диафрагмой, и соединенную пластину перемещаться вправо. Это открывает пластину подачи воздуха, позволяя давлению подаваемого воздуха поступать на выходной конец, соединенный с диафрагмой привода, в то время как выпускная пластина остается закрытой. Увеличение внутреннего давления внутри привода толкает шток клапана вниз, заставляя рычаг позиционера вращаться по часовой стрелке и сжимать пружину диапазона через кулачок. Шток клапана продолжает перемещаться до тех пор, пока не достигнет положения, указанного контроллером, в этот момент сжимающая сила пружины диапазона уравновешивает силу, создаваемую сигнальной диафрагмой, и как подающие, так и выпускные демпферы закрываются, останавливая движение клапана. И наоборот, когда управляющий сигнал уменьшается, сила, оказываемая сигнальной диафрагмой, уменьшается, и сила пружины диапазона толкает шток клапана, соединенный с демпфером, влево, открывая выпускной демпфер, уменьшая давление привода и заставляя шток клапана перемещаться вверх, пока не будет достигнуто новое равновесие сил.

• Принцип работы цифрового позиционера:
  Цифровой позиционер использует микропроцессор для выполнения алгоритмов управления положением, а не механические балансиры, кулачки и узлы демпферов. Микропроцессор считывает управляющий сигн