28 Регулирующие органы

Регулирующий орган - исполнительный орган, воздействующий на процесс путем изменения пропускной способности,- один из функциональных блоков исполнительного устройства, который состоит из двух основных частей: затвор - подвижная часть регулирующего органа, перемещением которого достигается изменение проходного сечения и соответственно пропускной способности;

седло - неподвижная часть регулирующего органа, образующая вместе с затвором проходное сечение.

Для непрерывного и позиционного регулирования применяются регулирующие органы следующих типов: заслоночные, односедельные и двухседельные клапаны, трехходовые клапаны, шланговые, диафрагмовые и др.

Односедельный регулирующий орган (рис. 11-22, а)-регулирующий орган, в котором изменение пропускной способности достигается поступательным перемещением затвора вдоль оси прохода седла корпуса.

Односедельные клапаны в закрытом положении обеспечивают герметичное перекрытие потока. Однако затворы (плунжеры) односедельных клапанов испытывают большое выталкивающее усилие со стороны регулируемой среды и поэтому требуют более мощных исполнительных механизмов.

Двухседельный регулирующий орган (рис. 11-22, б)-регулирующий орган, в котором изменение пропускной способности достигается поступательным перемещением затвора вдоль оси проходов двух седел корпуса. Преимуществом двухседель-ных регулирующих клапанов является наличие разгруженного затвора (плунжера).

Рис. 11-22. Схемы односедельного (а) и двухссдельного (б) регулирующих органов

Усилие, развиваемое регулируемой средой, благодаря перепаду давления на клапане действует одновременно (но в противоположных направлениях) па оба жестко связанных затвора.

При сравнительно небольших объемах потока и средних давлениях может устанавливаться односедельный клапан.

Размер клапана определяется диаметром присоединительных штуцеров корпуса. По конструкции присоединительных штуцеров корпусы клапанов делятся на резьбовые и фланцевые.

Резьбовое присоединение имеют клапаны размером до 50 мм, а фланцевое - свыше 50 мм. Корпусы кла-

Рис. 11-23. Клапаны прямого (а) и обратного (б) действия

панов изготавливаются из чугуна, углеродистой и легированной стали, седла и затвора - преимущественно из нержавеющей стали. Затворы клапанов имеют различную форму (тарельчатую, золотниковую и др.), определяемую его характеристикой и условиями работы.

Различают клапаны прямого и обратного действия. У клапанов прямого действия (рис. 11-23, а) при движении штока вниз проходное сечение уменьшается (клапан типа ВЗ), у клапана обратного действия (рис. 11 - 23,6)-увеличивается (клапан типа ВО). Привод клапанов прямого и обратного действия может быть одинаковым.

Клапаны применяются для регулирования средних расходов (4-1600 м³/ч) при условных проходах 25-30 мм, малых расходов (0,1-4 м³/ч) при условных проходах 6-25 мм и микрорасходов (менее 0,1 м³/ч) при условных проходах 10 мм и менее.

По значению условного давления выпускаемые одно- и двухседельпые клапаны подразделяются на три модификации:

для низких давлений (до 1568 кПа), средних (от 2,4-10³ до 15- 10³ кПа) и высоких (от 1,96- 10⁴ до 1,47-10⁵ кПа).

Регулирующие клапаны устанавливаются на прямолинейных участках трубопровода. При их монтаже следует преду_: сматривать обводные линии (рис. 11-24). Это необходимо для того, чтобы в случае неисправности клапана его можно было

Рис. 11-24. Схема установки регулирующего клапана на трубопроводе

выключить и пустить поток мимо него, регулируя вручную. В этом случае вентили с ручным управлением 2 и 2' закрывают, а вентиль 3 открывают, регулирующий клапан 1 оказывается отключенным. Подачу вещества к потребителю можно регулировать, изменяя вручную степень открытия вентиля 3.

Трехходовой регулирующий орган (смесительный, разделительный) -двухседельный регулирующий орган (рис. 11-25), в котором происходит изменение соотношения пропускных способностей, имеющий три присоединительных прохода, через которые один поток разделяется на два (разделительный) или два потока смешиваются в один (смесительный). При перемещении исполнительным механизмом штока с

затворами в вертикальном направлении зазоры между затворами и сед лами изменяются (один зазор увеличивается, другой уменьшается), что ведет к изменению Рис. 11-25. Схема расходов через эти клапаны, трехходового рс- Трехходовые клапаны применяются гулирующего op- _{с пневматиче}скими мембранными и элек-1 а На ¹тродвигательными исполнительными механизмами.

Шланговые регулирующие органы (рис. 11-26) отличаются тем, что регулируемое вещество проходит в них через эластичный патрубок (шланг), который, деформируясь, изменяет площадь проходного сечения, а следовательно, и расход. Применяются они для регулирования потоков самых разнообразных сред. В зависимости от вида среды эластичные патрубки изготавливаются из резинотканевой основы с внутренней съемной оболочкой из фторопласта-4 или полиэтилена.

Шланговые клапаны исключают застой продукта, обеспечивают быструю и удобную замену шланга. Однако их можно использовать при температурах регулируемых сред до 100°С,

при невысоком давлении среды (до 980 кПа). В качестве привода используется мембранный пневматический исполнительный механизм.

Диафрагмовые регулирующие органы (рис. 11-27) изменяют свое гидравлическое сопротивление благодаря поступательному перемещению центра диафрагмы относительно седла, представляющего собой перегородку в корпусе. Применяются для регулирования потоков агрессивных жидкостей. Преимущества диафрагмовых регулирующих клапанов - возможность применения дешевых антикоррозийных материалов и отсутствие сальниковой конструкции. Корпус диафрагмового клапана изготовляют из чугуна, а внутреннюю поверхность покрывают кислотостойкими материалами, диафрагма изготовляется из резины, полиэтилена или фторопласта.

Рис. 11-26. Схема шлангового регу- Рис. 11-27. Схема диафрагмового лирующего органа регулирующего органа

Заслоночный регулирующий орган - регулирующий орган, в котором изменение пропускной способности достигается поворотом затвора (заслонки). Заслонки в сравнении с другими регулирующими органами имеют небольшие габариты и массу, в открытом положении они создают небольшие гидравлические сопротивления (потери давления меньше), не создают застойных зон, где могут скапливаться пыль и грязь, меньше подвержены износу.

Основным элементом заслонки (рис. 11-28) является круглый диск 1, укрепленный на оси 2 и помещенный в корпус 3. Поворотом диска достигается изменение площади проходного сечения между заслонкой и трубопроводом. При положении Диска в плоскости, перпендикулярной к оси трубопровода (угол поворота а = 0), проходное сечение равно нулю. По мере поворота диска проходное сечение увеличивается. При а = 90° площадь проходного сечения достигает максимума.

Рис. 11-28. Схема заслоночного регулирующего органа

Заслоночные регулирующие органы широко применяются для регулирования в среде газа и пара, но могут работать также в среде газов, содержащих твердые частицы, и в среде сыпучих гранулированных твердых материалов. Заслонки работают при условной пропускной способности 20-20 ООО м³/ч (условный проход 50-1000 мм). Регулирующая заслонка не может служить запорным органом, так как при ее изготовлении предусматриваются увеличенные зазоры между корпусом и подвижной'частью для уменьшения сил трения при перестановке. Поворотные заслонки в промежуточном положении неуравнове-шены.

Шиберы (задвижки) применяются на круглых и других трубопроводах, несущих жидкости или газы. Для установки на трубопроводах с жидкостями применяются сложные конструкции задвижек, имеющих сальниковые уплотнения и притертую подвижную часть. Клапаны выбираются в соответствии с характером их действия и особенностями технологического процесса, для регулирования которого они предназначаются.

При установке регулирующих клапанов рекомендуют перед ними поддерживать постоянное давление и минимальный перепад давлений в трубопроводе. Регулирующий клапан не используется как запорный.

При выборе исполнительных устройств по пропускной способности. определяют условную пропускную способность, диаметр условного прохода, вид пропускной характеристики (для плунжерных клапанов), рабочее давление, диапазон перепада давления на клапане или заслонке.

Условная пропускная способность к_иу представляет собой номинальный расход жидкости (в м³/ч) плотностью 1000 кг/м³, пропускаемой полностью открытым регулирующим органом при перепаде давления на нем 98 кПа (1 кгс/см²).

Максимальное значение пропускной способности, достигаемое при 100%-ном перемещении затвора к"юо, может отличаться от условного на ± 10 %.

Условная пропускная способность k_vy зависит от диаметра условного прохода регулирующего органа D_y и коэффициента а, зависящего от вида регулирующего органа: K_vy~aD²_y . Коэффициент а имеет следующие значения:

Для односедельных, трехходовых и диафрагмовых 0,012 клапанов

Для двухседельных клапанов 0,016

Для заслонок 0,02

Для шланговых клапанов 0,05

Пропускной характеристикой называется зависимость пропускной способности от перемещения затвора: k_v- = f(S), где 5 - ход затвора, мм.

Наиболее распространенные пропускные характеристики - линейная и равнопроцентная. Линейная характеристика - характеристика, при которой приращение пропускной способности пропорционально перемещению затвора (рис. 11-29, а).

Равнопроцентная пропускная характеристика - характеристика, при которой приращение пропускной способности по ходу пропорционально текущему значению пропускной способности (рис. 11-29, б).

Необходимая форма характеристики обеспечивается профилем затвора клапана. Клапаны одно-, двухседельные и трехходовые имеют линейную или равнопроцентную пропускную характеристику. Рабочее давление Я_р т.е.допустимое при заданной рабочей температуре, устанавливается по условному допустимому давлению Р_у, так как с повышением температуры прочность металлов понижается; для исполнительных устройств рабочие давления меньше условных.

, Рис. 11-29. Пропускные характеристики регулирующих органов: а-линейная; б - равнопроцентная

.Перепад давления АР на регулирующем органе определяет усилия, на которые рассчитываются все подвижные детали исполнительного устройства, а также износ дроссельных поверхностей. Правильный расчет и выбор размера регулирующего органа определяется по значению условной пропускной способности. Для определения пропускной способности, выбора условного прохода и пропускной характеристики пользуются ГОСТ 16443-70.

Кроме пропускной характеристики, регулирующие органы имеют конструктивную характеристику и рабочую расходную характеристику. Конструктивная характеристика - зависимость площади прохода между затворами и седлом регулирующего органа от перемещения затвора. Конструктивная характеристика клапана определяется только размером и геометрической формой затвора и не зависит ни от места его установки, ни от параметров рабочей среды.

Рабочая расходная характеристика - зависимость расхода в рабочих условиях от перемещения затвора. От формы расходных характеристик в значительной степени зависит качество регулирования. Для нормальной работы автоматической системы регулирования необходимо, чтобы расходная характеристика регулирующего органа была возможно ближе к линейной.

24Закон регулирования - это вид зависимости между величиной регулирующего воздействия (выходная величина регулятора) и отклонением регулируемого параметра от заданного значения (входная величина регулятора). Закон регулирования может быть выражен аналитически в виде определенного уравнения. Различают три основных закона регулирования: пропорциональный, аномальный, интегральный, дифференциальный и три комбинированных закона регулирования: пропорционально-интегральный, пропорционально-дифференциальный, пропорционально-интегрально-дифференциальный.

Величина и знак отклонения регулируемого параметра от заданного значения ±Аф, интеграл отклонения по времени ДфЛ, скорость отклонения регулируемого параметра dy/dt учитываются в целях формирования регулирующего воздействия регуляторов, реализующих соответствующие законы регулирования.

Закон регулирования П-регулятора выражается уравнением р = r_РДф, где и - регулирующее воздействие (относительное перемещение регулирующего органа); k_p- коэффициент усиления, настроечный параметр, значение которого определяется в процессе расчета промышленной АСР; Дф - отклонение регулируемого параметра от заданного значения.

Закон регулирования И-регулятора можно выразить формулой T_pdy/dt = ±Дф, где Т_р - коэффициент пропорциональности, настроечный параметр регулятора, подлежащий определению в процессе расчета АСР, т. е. время, за которое регулирующий орган переместится из одного крайнего положения в другое при максимальном значении Дф.

Если уравнение для И-регулятора проинтегрировать, то получим р = 1/7-р²Дф -f- (1n, где ро - положение регулирующего органа до начала возмущения. Закон регулирования Д-регулятора можно записать в виде уравнения x = kdy/dt, где к_д - коэффициент усиления Д-регулятора.

Особенность Д-регулятора заключается в том, что он реагирует не на величину отклонения регулируемого параметра, а только на скорость отклонения его. Поэтому нет промышленных регуляторов, реализующих в чистом виде дифференциальный закон регулирования. Комбинированный закон регулирования ПИ-регулятора выражается формулой i = k_p(Aq > 4-\/Т" A < pdt), где Т"- время изодрома, настроечный параметр ПИ-регулятора. Эта величина характеризует степень ввода в закон регулирования интеграла. Коэффициент усиления k_p также является параметром настройки ПИ-регулятора.

При отклонении регулируемого параметра от заданного значения ПИ-регулятор в начальный момент времени действует так же, как и П-регулятор, т. е. перемещает регулирующий орган на величину, пропорциональную отклонению. Если при этом регулируемый параметр не достигнет заданного значения, то ПИ-регулятор будет продолжать перемещать регулирующий орган до тех пор, пока он не достигнет заданного значения. ПИ-регуляторьг обладают хорошими динамическими свойствами за счет пропорциональной составляющей (£_РДф) и хорошими статическими свойствами за счет интегральной составляющей (kp/ТиA(fdt), благодаря чему они широко применяются. Закон регулирования ПД-регулятора имеет вид ц = Л_р(Аф±T_Ad(pfdt), где Т_я - время дифференцирования, или время предварения.

Введение в закон регулирования дополнительного воздействия T_adf/dt, учитывающего скорость отклонения регулируемого параметра, положительно влияет на процесс регулирования. Так как в начальный момент возмущения скорость отклонения регулируемого параметра проявляется более значительно, чем само отклонение, то регулятор, реагируя на скорость изменения регулируемого параметра, оказывает на объект предваряющее воздействие, не допуская появления значительного отклонения. Закон регулирования ПИ Д-регулятора имеет вид ц.= = р(Дф+IT_n A(fdt±Td(f/df), где k_p - коэффициент передачи; Ги - время изодрома; Г_д - время предварения.