Регулирующие органы. Пропускная характеристика: линейная, равнопроцентная и рабочая. Расчёт и выбор регулирующего органа

 

Регулирующие органы входят в состав исполнительных устройств систем автоматического регулирования, содержащих также исполнительные механизмы. Регулирующие органы служат для регулирования расхода вещества (или энергии) при поддержании заданного значения регулируемой величины в управляемом объекте.

Регулирующий орган состоит из двух основных частей: неподвижного корпуса и перемещаемого относительно него затвора. Пропускная способность органа зависит от положения затвора в корпусе. Различают органы с вращательным движением затвора (заслонки, запорные задвижки, пробковые краны, игольчатые вентили) и с поступательным (одно- и двухседельные регулирующие клапаны).

Основными параметрами, определяющими выбор регулирующих органов, являются: условное и рабочее давление, условный проход, определяющий пропускную способность клапана, пропускная (расходная) характеристика, выражающая зависимость относительной пропускной способности от относительного хода штока, негерметичность (допустимый начальный пропуск при полном закрытии клапана).

Выбор типа регулирующей арматуры (регулирующего вентиля, регулирующего клапана, регулятора давления и т. д.) определяется исходя из назначения арматуры. Для непрерывного регулирования среды с целью изменения регулируемого параметра (температуры, концентрации, давления и т. д.) обычно используются двухседельные клапаны с пневматическим мембранным исполнительным механизмом (МИМ). При этом необходимо иметь пневматическую сеть коммуникаций для дистанционного управления арматурой. При ее отсутствии используются регулирующие клапаны с электромоторным приводом. При агрессивных средах применяются регулирующие клапаны из коррознонностойкой стали или мембранные чугунные регулирующие клапаны с неметаллическим коррозионностойким покрытием.

Расход регулируемой среды изменяется в соответствии с сигналом, поступающим от прибора системы автоматического управления или регулирования. Изменение расхода происходит в связи с изменением открытого сечения между плунжером и седлом в корпусе клапана. Величина открытого сечения в седле зависит от положения плунжера относительно седла. Положение плунжера определяется положением равновесия подвижной системы клапан — МИМ. Равновесие системы создается в момент равенства усилия пружины и силы давления воздуха на мембрану.

Силовая характеристика пружины имеет линейную зависимость от хода сжатия, поэтому перемещение плунжера происходит пропорционально давлению воздуха на мембрану (если не учитывать влияния незначительной нелинейности некоторых параметров мембраны и пружины). Профиль плунжера обеспечивает изменение расхода от минимального до максимального. Клапаны могут иметь вид действия НО (нормально открыт) и НЗ (нормально закрыт).

Регулирующая арматура не должна использоваться как запорная, для герметичного перекрытия прохода среды в трубопроводе помимо регулирующей необходимо устанавливать запорную арматуру. Это необходимо еще и потому, что двухседельные регулирующие клапаны, которые наиболее часто применяются, не могут обеспечить герметичное перекрытие обоих седел одновременно. В отдельных случаях, когда по условиям работы необходимо герметичное перекрытие седла, должны быть использованы односедельные клапаны, несмотря на присущий им недостаток — неуравновешенность плунжера.

Регулирующие клапаны широко используются в системах регулирования с посторонним источником энергии (сжатый воздух, электроэнергия, гидравлика). Для поддержания давления среды в требуемых пределах без постороннего источника энергии используются регуляторы давления («до себя» или «после себя»), в которых источником энергии является рабочая среда, транспортируемая по трубопроводу и служащая одновременно управляющей средой.

Регулирующий клапан в системе автоматического регулирования является исполнительным устройством. ГОСТ 14691—69 регламентирует терминологию в области исполнительных устройств общепромышленного назначения, предназначенных для воздействия на технологические процессы путем изменения расхода проходящих через них сред.

Допускается применение и отраслевых терминов, являющихся дополнением к терминам, устанавливаемым вышеуказанным стандартом, и отражающих специфические требования к исполнительным устройствам отрасли.

Исполнительным называется устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с полученной командной информацией. Исполнительное устройство состоит из двух функциональных блоков (исполнительного механизма и регулирующего органа) и может оснащаться дополнительными блоками. Исполнительные устройства подразделяются на нормально открытые НО, в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проход открывается, и нормально закрытые НЗ, в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проход закрывается.

Исполнительный механизм является функциональным блоком и предназначен для управления регулирующим органом в соответствии с командной информацией. В зависимости от управляющей энергии исполнительные механизмы подразделяются на пневматические, гидравлические и электрические.

Различаются следующие виды исполнительных механизмов:

1) мембранные механизмы, в которых перестановочное усилие хотя бы в одном направлении создается давлением управляющей среды в мембранной полости;

2) пружинные мембранные, в которых перестановочное усилие в одном направлении создается давлением управляющей среды в мембранной полости, а в другом — силой сжатой пружины;

3) беспружинные мембранные, в которых перестановочное усилие в обоих направлениях создается в двух мембранных полостях; поршневые, в которых перестановочное усилие создается давлением рабочей среды в поршневых полостях;

4) пружинные поршневые, в которых перестановочное усилие в одном направлении создается давлением рабочей среды в поршневой полости, а в другом — силой сжатой пружины.

В зависимости от перемещения выходного элемента исполнительные механизмы подразделяются на:

1) прямоходные, в которых выходной элемент перемещается поступательно;

2) поворотные, в которых выходной элемент перемещается по дуге окружности не более чем на 360°;

3) многооборотные, в которых выходной элемент вращается, совершая поворот более 360°.

Выходным элементом называется элемент исполнительного механизма, передающий перестановочное усилие или момент регулирующему органу.

Регулирующий орган представляет собой рабочий орган регулирующей арматуры, воздействующий на процесс путем изменения пропускной способности. Запорно-регулирующий орган — регулирующий орган, обеспечивающий герметичное закрытие прохода.

Регулирующие органы могут быть следующих видов:

1) заслоночный (поворотная заслонка),

2) односедельный,

3) двухседельный,

4) трехходовой (смесительный или разделительный),

5) шланговый,

6) мембранный.

Подвижная часть регулирующего органа, перемещением которого осуществляется изменение пропускной способности, называется плунжером. Проходное сечение регулирующего органа образуется между плунжером и седлом — кольцевой неподвижной частью регулирующего органа.

Дополнительные блоки (позиционеры, дублеры, датчики положения, фиксаторы и т. д.) предназначены для расширения области применения исполнительного устройства в различных схемах управления.

Позиционер предназначен для уменьшения рассогласования путем введения обратной связи по положению выходного элемента исполнительного механизма. Ручной дублер используется для ручного механического управления регулирующим органом. Датчик положения дает информацию о положении выходного элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа. Фиксатор положения фиксирует положение выходного элемента исполнительного механизма или плунжера регулирующего органа.

Исполнительные устройства в зависимости от исполнительных механизмов и регулирующих органов подразделяются:

1) по виду используемой энергии на пневматические, электрические и гидравлические;

2) в зависимости от использования соответствующих преобразователей — на электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические;

3) в зависимости от конструкции исполнительного механизма и управляющей жидкой или газообразной среды — на мембранные пневматические, поршневые пневматические, мембранные гидравлические, поршневые гидравлические;

4) в зависимости от регулирующего органа — на заслоночные, односедельные, двухседельные, трехходовые, шланговые и мембранные.

Эксплуатационные свойства исполнительных устройств (регулирующих клапанов) в значительной мере определяют характеристики, которые можно разделить на гидравлические, силовые и конструктивные. К характеристикам исполнительных устройств относятся следующие:

Пропускная способность Kv определяется объемным расходом жидкости (м³/ч) с плотностью, равной 1000 кг/м^э, при прохождении ее через регулирующий орган и при перепаде давления на нем в 0,1 МПа. Текущее значение пропускной способности при заданной величине хода в процентах указывается соответству­ющим индексом, например Kv₁₀ , Kv_50.

Условная пропускная способность Kvy представляет собой номинальное значение величины пропускной способности при условном ходе затвора (м3/ч).

Начальная пропускная способность Kv0 определяется номинальным значе­нием величины пропускной способности в момент открытия затвора. Минималь­ная пропускная способность Kvmin соответствует номинальному значению мини­мальной величины пропускной способности при сохранении пропускной харак­теристики регулирующего органа.

Максимальная действительная пропускная способность Kv100 представляет собой значение величины пропускной способности при максимальном действи­тельном ходе затвора.

Диапазон изменения пропускной способности Дkv — Kvy/Kvmin, т.е. отно­шение значения условной пропускной способности к значению минимальной пропускной способности.

Пропускная характеристика K у ⁼ f (S) определяет зависимость пропускной способности от перемещения затвора S. Промышленность выпускает регулиру­ющие клапаны с линейной и равнопроцентной пропускными характеристиками, которые наиболее часто применяются при регулировании технологических про­цессов на производстве.

Линейная пропускная характеристика обеспечивает приращение пропускной способности пропорционально перемещению затвора:

dKv = ndS,

где п =Kv _y/ S _y — коэффициент пропорциональности.

Равнопроцентная пропускная характеристика обеспечивает приращение пропускной способности по ходу, пропорционально текущему значению пропуск­ной способности:

dK_V / dS =n₁Kv,

где - коэффициент пропорциональности.

Рабочая расходная характеристика определяет зависимость расхода в рабо­чих условиях от перемещения затвора.

Негерметичность исполнительного устройства выражает собой расход через закрытое исполнительное устройство, выраженный в процентах от условной пропускной способности.

Ходовая характеристика представляет собой зависимость перемещения ходо­вого элемента исполнительного механизма или затвора регулирующего органа в исполнительном устройстве от командной информации

S = f (x_i),

где х_i — те­кущая величина командного сигнала.

Конструктивная характеристика выражает зависимость площади прохода между затвором и седлом регулирующего органа от перемещения затвора. Услов­ный ход S_y определяется номинальной величиной полного хода выходного эле­мента исполнительного механизма или затвора исполнительного устройства. Действительный ход S_Д определяется величиной хода, обеспечиваемой данным экземпляром исполнительного механизма или исполнительного устройства при заданной величине командного сигнала. Приведенный ход S_п представляет собой значение хода, рассчитанное пропорционально изменению командного сигнала исходя из максимального действительного хода.

Основная приведенная погрешность δ характеризуется абсолютной вели­чиной отношения наибольшей разности действительного и приведенного ходов к величине условного хода при незаполненном регулирующем органе в сальнике, затянутом усилием, обеспечивающим герметичность штока в рабочих условиях. Основная приведенная погрешность выражается в процентах

Вариация хода штока выражается отношением наибольшей разницы между значениями хода, соответствующими одному и тому же значению командного сигнала при прямом и обратном ходах, к величине условного хода. Вариация хода штока выражается в процентах.

Порог чувствительности исполнительного устройства определяется отношением наименьшего значения величины изменения командного сигнала, вызывающей начало перемещения, к диапазону командного сигнала. Порог чувствительности выражается в процентах.

Рассогласование хода выражается отношением разности действительного и приведенного ходов к величине условного хода в рабочих условиях. Рассогласование хода выражается в процентах.

Рис. (). Ходовые характеристики исполнительных устройств с пружинными (мембранными и поршневыми) исполнительными механизмами:

1— условная; 2 — расчетная: 3 и 4 — действительные при прямом и обратном ходе соответственно: S_y — условный ход; S_П — приведенный ход; S_д — действительный ход; x_H, х_K, x_i — начальное, конечное и текущее значения командного сигнала.

Как элемент гидравлической системы арматура (клапан, вентиль, задвижка, заслонка н т. п.) пред­ставляет собой местное сопротивле­ние, при прохождении через которую жидкой или газовой среды соз­дается перепад давлений, теряемый на преодоление этого местного со­противления.

Перепад давлений (МПа) выражается формулой

где ζ — коэффициент гидравличе­ского сопротивления арматуры; υ — скорость среды (м/с), отнесенная к D_у;δ — коэффициент, учитывающий влияние сжимаемости на потерю напора; ψ — коэффициент, учиты­вающий влияние вязкости среды на потерю напора; ρ — плотность жидкой среды, кг/м³.

Для жидких сред незначительной вязкости δ=1 и ψ=1, тогда

Массовый расход G (кг/ч) и объемный расход Q (м^э/ч) жидкой среды, протека­ющей через арматуру, при известном перепаде давлений определяются по фор­мулам

где Fy — площадь поперечного сечения прохода по условному диаметру D_y, см². Когда средой является вода (ρ = 1000 кг/м³) и перепад давлений на клапане Δр = 0,1 МПа, расход среды будет равен условной величине

Величина QУ характеризует пропускную способность арматуры и обозначается Кv. Следовательно, коэффициент пропускной способности Kv численно равен расходу воды (м3/ч) через арматуру при турбулентном режиме движения среды и перепаде давлений на арматуре Δр = 0,1 МПа.

При инженерных расчетах применяют формулу

Тогда

Поскольку при разных положениях плунжера величина Kv различна, ставится индекс, показывающий величину хода плунжера в процентах (за исходное положе­ние принимается закрытый клапан). Следовательно, Kv₁₀₀, Kv₆₀, Kv₂₀ и т. д. — коэффициенты пропускной способности клапана при подъеме плунжера соответ­ственно на 100, 60 и 20 % его хода. Для различных экземпляров арматуры, взятых даже из одной партии, значения K_V100 могут отличаться друг от друга вследствие отклонения формы, размеров и шероховатости поверхности в пределах допусков. При расчете и выборе арматуры употребляется условная пропускная способ­ность Kvy определяемая как среднее значение Kv₁₀₀ клапанов данного типораз­мера. Отклонение действительной величины Kv₁₀₀ от Kvy не должно превы­шать 8%.

Для регулирующих клапанов с размерами D_y= 15÷300 мм значения Kvy обычно образуют следующий ряд (м³/ч): 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600 и 2500.

Правильный выбор характеристик регулирующих органов имеет большое значение при автоматизации объектов управления. Например, если пропускная способность будет завышена, при нормальном режиме работы объекта потребуется лишь небольшая степень открытия регулирующего органа, который будет работать на начальном участке расходной характеристики, что увеличит падения давления на клапане, не обеспечит качественного регулирования параметров при использовании регуляторов непрерывного, шагового или импульсного действия. Если начальная пропускная способность клапана значительная, при двухпозиционном регулировании, особенно при мягких режимах, объект может оказаться неуправляемым (при закрытом клапане температура в камере может продолжать расти).

Таблица (). Сокращенные обозначения исполнительных устройств и их элементов.

Для регуляторов непрерывного действия, шаговых или импульсных, важно правильно выбрать расходную характеристику регулирующего органа. Для нормального функционирования системы регулирования необходимо, чтобы регулирующий орган имел линейную или близкую к ней расходную характеристику.

Стандартами предусмотрен выпуск двухседельных и односедельных регулирующих клапанов средних расходов с линейной и равнопроцентной пропускной характеристикой, а трёхходовых регулирующих и односедельных клапанов малых расходов - с линейной пропускной характеристикой. При линейной характеристике обеспечивается пропорциональность между перемещением плунжера и расходом среды через клапан.

При равнопроцентной (логарифмической) характеристике изменение расхода регулируемой среды пропорционально расходу в данный момент времени. Фактическая расходная характеристика существенно отличается от расчётной, конструктивной. Это объясняется тем, что расход вещества через клапан зависит от перепада давления на нём, максимального при полностью закрытом регулирующем органе и уменьшающегося по мере его открытия. Это приводит к тому, что у клапанов с линейной конструктивной характеристикой рабочая расходная характеристика получается нелинейной.

Рис. (). Пропускные характеристики регулирующих органов:

1, 2 - конструктивные линейная и равнопроцентная; 1', 2' - то же фактические; Q/Q_max - относительный расход; l/l_max - относительный ход плунжера

 

1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: