5. Запорная и регулирующая арматура

Запорная и регулирующая арматура относится к средствам воздействия на технологический процесс. Устройства имеют разные принципы действия, разное исполнение и условия эксплуатации. Дроссельные регулирующие органы могут снабжаться электрическими и пневматическими исполнительными механизмами.

Инженер в области автоматизации должен знать номенклатуру средств воздействия на технологический процесс и их характеристики.

Цель главы – ознакомление с принципом действия основных типов дроссельных регулирующих органов, их характеристиками, методикой расчета и выбора устройств, обеспечивающих заданную величину управляющего воздействия.

П осле изучения главы необходимо знать

• типы и принцип действия регулирующих органов,

• типы и принцип действия дроссельных регулирующих органов.

• методику расчета дроссельных регулирующих органов

5. Запорная и регулирующая арматура

Регулирующий орган необходим для воздействия на режим работы объекта путем изменения прохождения через него количества вещества или энергии. Регулируемой средой (веществом) может быть жидкость, пар, газ, сыпучие или комковатые (кучковатые) вещества, количество или мощность электроэнергии.

Регулирующие органы делятся на:

• дроссельные, представляющие собой переменное гидравлическое или пневматическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счет изменения проходного сечения;

• дозирующие, изменяющие расход вещества за счет изменения производительности агрегатов (дозаторы, питатели, насосы, компрессоры);

• электрические (регулирующие трансформаторы и автотрансформаторы, дроссели и реостаты, устройства регулирования мощности на тиристорах).

Дроссельные регулирующие органы (клапаны и заслонки), входящие в состав исполнительных устройств систем автоматического регулирования, устанавливаются на технологических трубопроводах для регулирования расхода вещества, протекающего по трубопроводу, с целью поддержания заданного значения регулируемой величины в управляемом объекте.

Дроссельные регулирующие органы (РО) по функциональному назначению делятся на:

0. регулирующие, предназначенные для изменения параметров среды;

1. запорные, предназначенные для перекрытия потока среды;

2. распределительные, предназначенные для распределения потока среды по определенным направлениям;

3. предохранительные, предназначенные для предотвращения аварийного повышения давления путем автоматического сброса избыточного количества рабочей среды;

4. защитные (отсечные), предназначенные для защиты оборудования от аварийных изменений параметров среды путем отключения обслуживаемой линии или участка.

Основными характеристиками дроссельных регулирующих органов являются пропускная и условная пропускная способность, пропускная характеристика и условный проход. Пропускной способностью К_V, измеряемой в кубических метрах в час, называется расход жидкости с плотностью 1000кг/м³ пропускаемый РО при перепаде давления на нем в 10⁵Па (~1кГ/см³). Условной пропускной способностью К_VУ, называется номинальное значение пропускной способности РО при максимальном ходе затвора (полном открытии), которая зависит от типа РО и размера его условного прохода D_У. Условным проходом D_У в РО называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках. Пропускной характеристикой называется зависимость пропускной способности от перемещения затвора при постоянном перепаде давления на РО.

Конструктивно дроссельный РО (ДРО) состоит из корпуса с присоединительными патрубками, крышки, рабочего органа и привода.

Рабочий орган состоит из седла и затвора. Седло- неподвижная часть рабочего органа, обычно выполненная в виде уплотнительного кольца в корпусе. Затвор - подвижная часть, перемещающаяся относительно седла при помощи штока или шпинделя и изменяющая величину открытого сечения в седле.

По характеру перемещения затвора ДРО делятся на:

• перемещаемые параллельно потоку (клапаны, золотники),

• перемещаемые перпендикулярно потоку (шиберные задвижки),

• вращающиеся вокруг оси (краны, поворотные заслонки),

• со сжатием проходного канала (шланговые, диафрагмовые).

В соответствии с действующими стандартами на исполнительные устройства Государственной системы приборов (ГСП) клапаны подразделяются на двухседельные и односедельные клапаны средних расходов.

У клапанов (рис.5.1) затвор выполнен в виде плоской или конусной тарелки, которая перемещается возвратно-поступательно вдоль центральной оси уплотнительной поверхности седла. Клапан, в котором затвор перемещается с помощью винтовой пары, называется вентилем. Односедельные клапаны выпускаются двух видов: проходные и угловые. В проходных клапанах направление потока при входе и выходе не изменяется, а в угловых — изменяется при выходе на 90° к направлению при входе. Односедельные проходные клапаны применяются при небольших размерах прохода, а односедельные угловые - и при больших проходах и в тех случаях, когда регулируемая среда характеризуется большой вязкостью или наличием в ней твердых частиц. Вследствие воздействия давления среды на затвор, односедельные клапаны требуют значительных усилий со стороны исполнительного механизма для их закрытия.

Для снижения перестановочного усилия промышленностью выпускаются двухседельные клапаны. В двухседельных клапанах один из патрубков соединен с пространством между двумя седлами. Вследствие того, что перепад давлений протекающего вещества в равной мере воздействует на верхнюю и нижнюю части затворного устройства клапана, возникающие усилия на штоке клапана почти полностью уравновешиваются. Это обеспечивает разгрузку клапана от одностороннего воздействия статического давления. Двухседельные регулирующие клапаны применяют для регулирования жидкостей, паров и газов при относительно больших перепадах давлений в клапане. Двухседельные клапаны по сравнению с односедельными характеризуются повышенной негерметичностью и относительно большой величиной пропуска регулируемой среды через клапан в положении его полного закрытия. Применение этих клапанов при сверхкритической скорости пара и газа не рекомендуется, т.к. при этом появляется значительный шум и вибрации клапана. Односедельные клапаны обычно применяют в тех случаях, когда невозможно применение двухседельных клапанов.

Трехходовые смесительные клапаны служат для смешения двух регулируемых потоков жидкости в один, а разделительные - для разделения одного регулируемого потока жидкости на два потока.

Недостаток клапанов – относительно большое гидравлическое сопротивление. Достоинство – доступность уплотнительных колец и затворов для ремонта.

В задвижках (рис.5.2) затвор выполнен в виде прямоугольника, клина или диска и перемещается вдоль уплотнительных колец седла перпендикулярно оси потока. Недостаток – большой ход затвора и трудность ремонта при эксплуатации. Достоинство - малая габаритная длина и низкое гидравлическое сопротивление, возможность получения большого значения условного прохода.

В кранах затвор поворачивается вокруг оси перпендикулярной оси потока (Рис.5.3). Затворы бывают конусные, цилиндрические и шаровые. Достоинство – небольшие габариты, малое гидравлическое сопротивление, простота управления. Недостаток – большой крутящий момент, необходимость в тщательном уходе, смазке.

В шланговых регулирующих органах ИМ пережимает шланг. Шланговые регулирующие клапаны находят применение для регулирования пульпы и веществ, содержащих твердые примеси, так как прямолинейность потока среды в клапане и отсутствие мертвых полостей предохраняет клапан от оседания в нем твердых частиц.

Диафрагмовые клапаны применяются для регулирования кислот и щелочей. Для предохранения диафрагм от разрушения их выполняют из кислотостойкой ре-* зины или других упругих материалов, стойких по отношению к протекающей среде, а внутренняя поверхность корпуса клапана гуммируется или покрывается тонким' слоем фторопласта или другого кислотостойкого материала.

К группе устройств для регулирования больших расходов относятся поворотные заслонки. Их применяют для регулирования потоков жидкости, газа и пара в трубопроводах круглой и прямоугольной формы. Заслонки бывают однодисков ые и многолопастные (Рис.5.4). Однодисковая заслонка является затвором в виде диска, вращающимся вместе с осью перпендикулярной потоку среды. Запорный орган образуется диском и седлом, расположенным в корпусе. Заслонки применяются для трубопроводов диаметром более 200мм при давлении среды до 0.6 Мпа и пониженных требованиях к герметичности. Достоинство – простота конструкции, низкая металлоемкость, малые габариты. Наличие частичной разгруженности диска заслонки позволяет применять для управления заслонками исполнительные механизмы сравнительно небольшой мощности. Однако, при больших диаметрах прохода и значительных перепадах давления на диске возникают большие крутящие моменты, стремящиеся повернуть диск вокруг оси. Многолопастные заслонки представляют собой корпус прямоугольного сечения, в котором расположены затворы в виде плоских параллельных пластин закрепленных на параллельных осях. На осях находятся кривошипы шарнирно соединенные общей тягой. При перемещении тяги лопасти поворачиваются одновременно. Такие заслонки используются в воздуховодах.

Пропускная способность регулирующих заслонок выше пропускной способности двухседельных регулирующих клапанов при одних и тех же размерах условного прохода. Регулирующие заслонки выпускаются для легких условий работы (на условное давление 6 кгс/см²) и для тяжелых условий работы (на условное давление от 6 до 40 кгс/см).

В каталоге ДРО обозначаются в следующем формате: ЦЦ₁-Б₁-ЦЦЦ₂-Б₂ , где

0. ЦЦ₁ - две цифры, кодирующие тип регулирующего органа ( 11 - кран, 13,14 - вентиль, 30, 31- задвижка, 32- заслонка;

1. Б₁- одна или две буквы, кодирующие материал корпуса (С-сталь, НЖ- нержавеющая сталь, Ч - чугун, Б-бронза, П- пластмасса);

2. ЦЦЦ₂ -три цифры, первая из которых кодирует вид привода (3,4 - механический привод, 6 -пневматический, 7- гидравлический, 8- электромагнитный, 9- электродвигательный, "-" - без привода), а две следующие - являются номером регулирующего органа по каталогу;

3. Б₂ - одна или две буквы, кодирующие материал уплотнительного кольца (Б-бронза, НЖ-нержавеющая сталь, К- кожа, Р - резина, ВП - винилпласт, ФП- фторопласт).

Методика расчета регулирующих органов подробно изложена в технической литературе /3,4/. При расчете регулирующего органа необходимо учитывать, что перепад давления в регулирующем органе P_MIN (минимальный при максимальном расходе) определяется с учетом потерь давления в подводящей сети.

, где: Р₀ ,Р_К - давление в начале и в конце технологиче­ского участка,  - удельный вес среды, Н - разница высот начала и конца технологического участка, - потери давления на трение и на местные сопротивления трубопровода, включая изгибы. Величины потерь равны: ; , где: L,D - длина и внутренний диаметр участков трубопровода соответственно, w-скорость протекания среды, g- ускорение свободного падения, - коэффициент сопротивления на трение в прямых участках трубопровода, зависящий от числа Рейнольдса (Re) и шероховатости стенок трубы, - коэффициент местного сопротивления, обусловленный изгибами и разветвлениями (определяется по справочникам). Число Рейнольдса (Re) определяет режим течения потока: при Re<21320 поток ламинарный, при Re>21320 поток турбулентный.

Расчет передаточной функции регулирующего органа приближенно можно провести в предположении его линейной расходной характеристики пренебрегая влиянием подводящей линии, т.е. считать, что подводящая сеть отсутствует и весь перепад давления расходуется в регулирующем органе. Для линеаризации расходной характеристика иногда используется нелинейная механическая связь между рабочим органом и исполнительным механизмом.

Для упрощенного выбора рабочего органа и расчета его коэффициента передачи по максимальному значению регулируемого параметра А объекта и коэффициенту передачи объекта в установившемся режиме К₀ определяется необходимый максимальный объемный Q или весовой G расход протекающего вещества: или .

По ним определяется требуемая максимальная пропускная способность K_VMAX [м³/ч] регулирующего органа. Расчетные формулы для K_VMAX в положении полного открытия регулирующего органа зависят от физической природы протекающей среды.

Для потока жидкости или , где:

Q_MAX[м³/ч]- максимальный объемный расход протекающего вещества,

G_MAX [кГ/ч]- максимальный весовой расход протекающего вещества,

[Г/см³ ]- объемный вес жидкости,

Р_MIN [кГ/см² ] - минимальный перепад давлений в регулирующем органе при максимальном расходе рабочего вещества.

Для вязких жидкостей полученное значение необходимо умножить на поправочный коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса / 3,4 /.

Поправку следует учитывать при числе Рейнольдса Re<10³ .

Число Рейнольдса для жидкостей и газов определяют по формулам:

, где:

Q₀ [м³ /ч] - объемный расход,

Q_H [м³ /ч] - объемный расход, приведенный к нормальным условиям,

Q_M [кг/ч] - массовый расход,

D[мм] - внутренний диаметр трубопровода при рабочей температуре,

[кг/м³ ] - плотность среды в рабочих условиях,

_Н[кг/м³ ] - плотность газа в нормальном состоянии,

V[м²/с] - кинематическая вязкость среды,

[кГ/м²] - динамическая вязкость среды.

Величина требуемой максимальной пропускной способности для газообразных сред зависит от режима течения газа, определяемого скоростью течения, в свою очередь, зависящей от перепада давления P в РО. Максимальная скорость течения газа, равная местной скорости звука, называется критической и достигается при критическом отношении давлений до и после РО.

Для потока газа при докритическом режиме течения, когда скорость течения газа меньше местной скорости звука (при P<P_КРИТ),

где:

- абсолютная температура газа до регулирующего органа,

Q_HMAX [м³/ч] - объемный расход газа, приведенный к нормальным условиям , _H[кГ/м³] - объемный вес газа, приведенный к нормальным условиям,

Р₂ [кГ/см² ] - давление после регулирующего органа,

k' - коэффициент сжимаемости газа.

Значение коэффициента сжимаемости газов приведены в /5/. За нормальное состояние газа принимается состояние при температуре t=0⁰С, давлении р=1.0332кгс/см² (101325Па) и относительной влажности =0.

Для потока газа при критическом режиме течения (при P>P_КРИТ)

, где P₁ – давление до регулирующего органа.

Критический перепад давления Р_КРИТ для газа и пара определяется по графикам, приведенным в / 3/. Если отсутствуют точные данные о свойствах среды, то Р_КРИТ принимается равным Р₁/2.

Для газа значение коэффициента максимальной пропускной способности РО может быть также определено более точно с использованием таблиц исходя из знания показателя адиабаты, удельного веса газа в рабочих условиях и значения давлений на входе и выходе /4 /.

Заметим, что если известна плотность сухого газа _Н в нормальном состоянии (при Р=Р_Н и Т=Т_Н), то его плотность  в рабочем состоянии при давлении P₁ и температуре Т₁ определяется по формуле .

Для влажного газа его плотность в рабочем состоянии определяется по формулам: , где: - плотность сухой части газа во влажном газе при его парциальном давлении равным Р₁-yP_НП и температуре T₁, _В[кг/м³ ] - плотность водяного пара в газе при его парциальном давлении равном yP_НП и температуре T₁, y - относительная влажность газа в долях единицы, P_НП – давление насыщенных паров при температуре Т₁,_НП[кг/м³ ] - плотность насыщенного водяного пара при температуре T₁.

Если рабочая температура T₁ газа превышает температуру насыщения T_НАС водяного пара при давлении Р₁, то _НП равно плотности перегретого водяного пара при T₁ и P₁ , а P_НР =P₁. Значение плотности водяного пара при различных давлениях и температурах приведены в таблицах.

Если относительная влажность газа известна при параметрах и , отличающихся от рабочих параметров P₁ и T₁ , то относительную влажность газа в рабочем состоянии определяют по формуле: , где плотности и определены при температурах Т₁ и соответственно.

Если получаемое значение y>1, то в рабочем состоянии газ будет насыщен водяным паром и при этом часть его сконденсируется. В данном случае за действительное значение принимается y=1.

Для газов низкого давления вводится понятие условной пропускной способности , определяемой из соотношения ; где

- плотность газа и =0.316K_VMAX.

Для потока перегретого пара или сухого насыщенного пара

при ,

и при , где

, V₁[м³/кг] - удельный объем пара при температуре Т₁ и при давлении Р₁ до регулирующего органа, V₂[м³/кг] ] - удельный объем пара при температуре Т₁ и давлении Р₂ после регулирующего органа.

Выпускаемые заводами-изготовителями регулирующие органы характеризуются условным коэффициентом пропускной способности К_VУ, коэффициентом гидравлического сопротивления _У и площадью проходного отверстия F_У[см²]. Связь между параметрами регулирующего органа устанавливается соотношением: , что позволяет вычислить необходимый параметр при знании других.

Исходя из найденного значения К_VMAX, по заводским каталогам или из технической литературы выбирается стандартный регулирующий орган с условной пропускной способностью и определяется его условный проход (диаметр трубопровода). Для выбранного рабочего органа определяется точное значение условной пропускной способности К_VMAX , по которой уточняется максимальный объемный Q_MAX или весовой G_MAX расход вещества.

Коэффициент передачи регулирующего органа К равен производной от расхода вещества Q (или G ) по ходу L подвижной части регулирующего органа. Для случая, когда динамические свойства объекта с нагрузкой не меняются, в качестве оптимальной выбирается линейная расходная характеристика (зависимость расхода от хода подвижной части РО). В этом случае отношение максимального расхода к ходу подвижной части (допустимо к 100% хода) определяет коэффициент передачи регулирующего органа: К =Q/L, K=G /L.

Для газов малого давления в качестве регулирующих органов используются заслонки. Зависимость величины условной пропускной способности С от угла поворота плоского крыла для квадратных и круглых поворотных заслонок приведены также в технической литературе. Тогда для поворотных заслонок коэффициент передачи может быть определен как К=dQ(C())/d , где  - угол поворота заслонки.

Исполнительный механизм в системе автоматического регулирования должен обеспечить перемещение РО с возможно меньшим искажением законов регулирования. Для получения постоянного коэффициента передачи необходимо иметь регулирующий орган с линейной расходной характеристикой. Форма расходной характеристики будет повторять форму пропускной характеристики только в том случае, если на подводящем трубопроводе отсутствуют гидравлические сопротивления. Наличие сопротивлений в подводящей сети приводит к тому, что при изменении расхода происходит перераспределение перепадов давления между сетью и РО. Изменение перепада давления на РО при изменении расхода вызывает искажение расходной характеристики относительно формы пропускной характеристики и изменение коэффициента передачи.. Расчет расходной характеристики необходимо проводить с учетом подводящей сети.

Выбираемый исполнительный механизм должен обеспечивать усилие большее, чем максимальное перестановочное усилие рабочего органа, определяемого из его технических характеристик. Способы сочленения ИМ и РО зависит от их конструкции, взаимного расположения и требуемого характера перемещения рабочего органа. Соединение ИМ с РО может быть непосредственным, жестким и тросовым. Непосредственное соединение выходного вала (штока) ИМ с валом (штоком) РО наиболее простое и обеспечивает равенство скоростей перемещения. Жесткое соединение осуществляется с помощью рычагов или реечных передач и связь может быть линейной или нелинейной. При линейной связи перемещение вала ИМ и подвижного элемента РО отличаются только масштабом. При нелинейной жесткой связи реализуются неравные перемещения РО при равных перемещениях вала ИМ. Применение нелинейных кинематических связей позволяет при необходимости изменять расходные характеристики РО за счет соответствующего подбора (расчета) длин соединительных звеньев.

Связь исполнительного механизма с рабочим органом при помощи профильных шайб позволяет реализовать нелинейные соотношения между перемещениями вала ИМ и подвижного элемента РО и, тем самым, позволяет получать требуемые расходные характеристики.