Регулирующий клапан — это клапан, используемый для управления потоком жидкости путем изменения размера проходного сечения в соответствии с сигналом контроллера. [1] Это позволяет осуществлять прямой контроль расхода и последующий контроль технологических величин, таких как давление , температура и уровень жидкости .
В терминологии автоматического управления регулирующий клапан называется «конечным элементом управления».
Открытие или закрытие автоматических регулирующих клапанов обычно осуществляется электрическими , гидравлическими или пневматическими приводами . Обычно с модулирующим клапаном, который может быть установлен в любое положение между полностью открытым и полностью закрытым, позиционеры клапана используются для обеспечения достижения клапаном желаемой степени открытия. [2]
Клапаны с пневматическим приводом широко используются из-за их простоты, поскольку для них требуется только подача сжатого воздуха, тогда как для клапанов с электрическим приводом требуются дополнительные кабели и коммутационная аппаратура, а для клапанов с гидравлическим приводом требуются линии подачи и возврата высокого давления для гидравлической жидкости.
Пневматические сигналы управления традиционно основаны на диапазоне давления 3–15 фунтов на квадратный дюйм (0,2–1,0 бар) или, что более распространено сейчас, на электрическом сигнале 4–20 мА для промышленности или 0–10 В для систем HVAC . Электрическое управление теперь часто включает в себя «умный» коммуникационный сигнал, наложенный на ток управления 4–20 мА, так что работоспособность и проверка положения клапана могут быть переданы обратно на контроллер. HART , Fieldbus Foundation и Profibus являются наиболее распространенными протоколами.
Автоматический регулирующий клапан состоит из трех основных частей, каждая из которых существует в нескольких типах и конструкциях:
На примере пневматического клапана возможны два варианта управления:
Также могут быть отказы в режимах безопасности:
Режимы работы при отказе являются требованиями спецификации управления процессом отказа безопасности завода. В случае охлаждающей воды это может быть отказ в открытом состоянии, а в случае доставки химиката это может быть отказ в закрытом состоянии.
Основная функция позиционера — подача сжатого воздуха в привод клапана таким образом, чтобы положение штока или вала клапана соответствовало заданному значению от системы управления. Позиционеры обычно используются, когда клапану требуется дросселирование. 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. [3]
Процессорные блоки 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 кв. дюйм) для перемещения клапана из положения 0 в 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, которая перемещает заслонку ближе к соплу. Давление сопла увеличивается, что увеличивает выходное давление на привод через реле пневматического усилителя. Увеличенное выходное давление на привод заставляет шток клапана перемещаться.
Движение штока передается обратно на балку с помощью кулачка. Когда кулачок вращается, балка поворачивается вокруг оси обратной связи, чтобы немного отодвинуть заслонку от сопла. Давление сопла уменьшается и снижает выходное давление на привод. Движение штока продолжается, отодвигая заслонку от сопла до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Когда входной сигнал уменьшается, сильфон сжимается (с помощью внутренней пружины диапазона), и балка поворачивается вокруг входной оси, чтобы отодвинуть заслонку от сопла. Сопло уменьшается, и реле позволяет сбросить давление корпуса диафрагмы в атмосферу, что позволяет штоку привода двигаться вверх.
Через кулачок движение штока подается обратно на балку, чтобы переместить заслонку ближе к соплу. Когда условия равновесия достигнуты, движение штока прекращается, а заслонка позиционируется так, чтобы предотвратить дальнейшее снижение давления привода. [3]
Второй тип позиционера — аналоговый позиционер I/P. Большинство современных процессорных блоков используют сигнал постоянного тока 4–20 мА для модуляции регулирующих клапанов. Это вводит электронику в конструкцию позиционера и требует, чтобы позиционер преобразовывал электронный токовый сигнал в пневматический сигнал давления (ток-пневматический или I/P). В типичном аналоговом позиционере I/P преобразователь получает входной сигнал постоянного тока и выдает пропорциональный пневматический выходной сигнал через сопло/заслонку. Пневматический выходной сигнал выдает входной сигнал пневматическому позиционеру. В остальном конструкция такая же, как у пневматического позиционера [3]
В то время как пневматические позиционеры и аналоговые I/P позиционеры обеспечивают базовое управление положением клапана, цифровые контроллеры клапанов добавляют еще одно измерение к возможностям позиционера. Этот тип позиционера представляет собой микропроцессорный прибор. Микропроцессор обеспечивает диагностику и двустороннюю связь для упрощения настройки и устранения неисправностей.
В типичном цифровом контроллере клапана управляющий сигнал считывается микропроцессором, обрабатывается цифровым алгоритмом и преобразуется в управляющий ток для преобразователя I/P. Микропроцессор выполняет алгоритм управления положением, а не механическая балка, кулачок и узел заслонки. По мере увеличения управляющего сигнала управляющий сигнал для преобразователя I/P увеличивается, увеличивая выходное давление преобразователя I/P. Это давление направляется на реле пневматического усилителя и обеспечивает два выходных давления для привода. С увеличением управляющего сигнала одно выходное давление всегда увеличивается, а другое выходное давление уменьшается
Приводы двойного действия используют оба выхода, тогда как приводы одинарного действия используют только один выход. Изменение выходного давления заставляет шток или вал привода двигаться. Положение клапана возвращается к микропроцессору. Шток продолжает двигаться до тех пор, пока не будет достигнуто правильное положение. В этот момент микропроцессор стабилизирует сигнал привода на преобразователе 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. [3]
Широко используемые протоколы связи включают HART , FOUNDATION fieldbus и PROFIBUS.
Преимущества установки интеллектуального позиционера на регулирующий клапан:
Регулирующие клапаны классифицируются по признакам и характеристикам.
Существует большое разнообразие типов клапанов и операций управления. Однако существуют две основные формы действия: скользящий шток и поворотный.
Наиболее распространенными и универсальными типами регулирующих клапанов являются шаровые клапаны с выдвижным штоком, шаровые клапаны с V-образным вырезом, бабочкообразные и угловые клапаны. Их популярность обусловлена прочной конструкцией и множеством доступных опций, которые делают их пригодными для различных технологических применений. [5] Корпуса регулирующих клапанов можно классифицировать следующим образом: [3]