Привод клапана

Привод клапана — это механизм для открытия и закрытия клапана . Ручные клапаны требуют присутствия человека для регулировки с помощью прямого или зубчатого механизма, прикрепленного к штоку клапана. Приводы с электроприводом, использующие давление газа, гидравлическое давление или электричество, позволяют дистанционно регулировать клапан или обеспечивают быструю работу больших клапанов. Приводы с электроприводом клапана могут быть конечными элементами автоматического контура управления, который автоматически регулирует некоторый поток, уровень или другой процесс. Приводы могут быть предназначены только для открытия и закрытия клапана или могут допускать промежуточное позиционирование; некоторые приводы клапана включают переключатели или другие способы дистанционной индикации положения клапана.

Приводы , используемые для автоматизации промышленных клапанов , можно найти на всех видах технологических установок. Они используются на очистных сооружениях, электростанциях , нефтеперерабатывающих заводах , в горнодобывающей и ядерной промышленности, на пищевых заводах и в трубопроводах. Приводы клапанов играют важную роль в автоматизации управления процессами . Автоматизируемые клапаны различаются как по конструкции, так и по размерам. Диаметры клапанов варьируются от одной десятой дюйма до нескольких футов.

Распространенными типами приводов являются: ручные, пневматические, гидравлические, электрические и пружинные.

Ручной привод использует рычаги, шестерни или колеса для перемещения штока клапана с определенным действием. Ручные приводы приводятся в действие рукой. Ручные приводы недороги, обычно автономны и просты в управлении человеком. Однако некоторые большие клапаны невозможно управлять вручную, а некоторые клапаны могут быть расположены в удаленных, токсичных или агрессивных средах, которые не позволяют выполнять ручные операции в некоторых условиях. В качестве меры безопасности определенные типы ситуаций могут потребовать более быстрого управления, чем могут обеспечить ручные приводы для закрытия клапана.

Давление воздуха (или другого газа) является источником энергии для пневматических приводов клапанов. ^[1] Они используются на линейных или четвертьоборотных клапанах. Давление воздуха действует на поршневую или сильфонную мембрану, создавая линейную силу на штоке клапана. В качестве альтернативы четвертьоборотный лопастной привод создает крутящий момент для обеспечения вращательного движения для управления четвертьоборотным клапаном. Пневматический привод может быть выполнен с возможностью закрытия пружиной или открытия пружиной, при этом давление воздуха преодолевает пружину для обеспечения движения. Привод «двойного действия» использует воздух, подаваемый на различные входы, для перемещения клапана в направлении открытия или закрытия. Центральная система сжатого воздуха может обеспечивать чистый, сухой сжатый воздух, необходимый для пневматических приводов. В некоторых типах, например, регуляторах для сжатого газа, давление подачи обеспечивается потоком технологического газа, а отработанный газ либо выпускается в воздух, либо сбрасывается в технологический трубопровод с более низким давлением.

Гидравлические приводы преобразуют давление жидкости в движение. Подобно пневматическим приводам, они используются на линейных или четвертьоборотных клапанах. Давление жидкости, действующее на поршень, обеспечивает линейную тягу для задвижек или шаровых клапанов. Четвертьоборотный привод создает крутящий момент для обеспечения вращательного движения для управления четвертьоборотным клапаном. Большинство типов гидравлических приводов могут быть снабжены функциями отказоустойчивости для закрытия или открытия клапана в аварийных ситуациях. Гидравлическое давление может обеспечиваться автономным гидравлическим насосом. В некоторых применениях, таких как насосные станции для воды, технологическая жидкость может обеспечивать гидравлическое давление, хотя приводы должны использовать материалы, совместимые с жидкостью.

Электропривод использует электродвигатель для обеспечения крутящего момента для управления клапаном. Они тихие, нетоксичные и энергоэффективные. Однако для этого должно быть электричество, что не всегда так, они также могут работать на батареях.

Пружинные приводы удерживают пружину. При обнаружении любой аномалии или отключении питания пружина освобождается, приводя в действие клапан. Они могут сработать только один раз, без сброса, и поэтому используются для одноразовых целей, например, в чрезвычайных ситуациях. Их преимущество в том, что им не требуется мощный источник питания для перемещения клапана, поэтому они могут работать от ограниченного заряда батареи или автоматически, когда все питание отключено.

Линейный привод открывает и закрывает клапаны, которые могут управляться посредством линейной силы, тип иногда называют клапаном с «подъемным штоком». Эти типы клапанов включают в себя шаровые клапаны, шаровые краны с подъемным штоком, регулирующие клапаны и задвижки. ^[2] Два основных типа линейных приводов — это мембранные и поршневые.

Мембранные приводы изготавливаются из круглого куска резины и сжимаются по краям между двумя сторонами цилиндра или камеры, что позволяет давлению воздуха поступать с любой стороны, толкая кусок резины в одном или другом направлении. Шток соединен с центром диафрагмы так, чтобы он двигался при приложении давления. Затем шток соединен со штоком клапана, что позволяет клапану испытывать линейное движение, тем самым открываясь или закрываясь. Мембранный привод полезен, если давление подачи умеренное, а требуемый ход клапана и тяга невелики.

Поршневые приводы используют поршень, который перемещается по длине цилиндра. Шток поршня передает усилие на поршень штоку клапана. Поршневые приводы допускают более высокое давление, более длинные диапазоны хода и более высокие осевые усилия, чем диафрагменные приводы.

Пружина используется для обеспечения определенного поведения в случае потери питания. Это важно в инцидентах, связанных с безопасностью, и иногда является движущим фактором в спецификациях. Примером потери питания является отключение воздушного компрессора (основного источника сжатого воздуха, который обеспечивает движение жидкости приводом). Если внутри привода есть пружина, она заставит клапан открыться или закрыться и будет удерживать его в этом положении, пока питание не будет восстановлено. Привод может быть определен как «открытый при отказе» или «закрытый при отказе», чтобы описать его поведение. В случае электрического привода потеря питания будет удерживать клапан в неподвижном состоянии, если нет резервного источника питания.

Типичным представителем автоматизируемых клапанов является регулирующий клапан пробкового типа. Так же, как пробка в ванне вдавливается в слив, пробка вдавливается в гнездо пробки с помощью ударного движения. Давление среды действует на пробку, а упорный узел должен обеспечивать такое же усилие, чтобы удерживать и перемещать пробку против этого давления.

В качестве движущей силы в основном используются надежные асинхронные трехфазные двигатели переменного тока , для некоторых применений также используются однофазные двигатели переменного или постоянного тока. Эти двигатели специально адаптированы для автоматизации клапанов, поскольку они обеспечивают более высокие крутящие моменты из состояния покоя, чем сопоставимые обычные двигатели, необходимое требование для срабатывания залипающих клапанов. Ожидается, что приводы будут работать в экстремальных условиях окружающей среды, однако они, как правило, не используются для непрерывной работы, поскольку тепловыделение двигателя может быть чрезмерным.

Концевые выключатели подают сигнал при достижении конечного положения. Переключатель крутящего момента измеряет крутящий момент, присутствующий в клапане. При превышении установленного предела сигнал подается таким же образом. Приводы часто оснащаются дистанционным датчиком положения, который указывает положение клапана в виде непрерывного сигнала тока или напряжения 4-20 мА .

Часто червячная передача используется для снижения высокой выходной скорости электродвигателя. Это обеспечивает высокое передаточное отношение в ступени редуктора , что приводит к низкой эффективности, которая желательна для приводов. Таким образом, передача является самоблокирующейся, т.е. она предотвращает случайные и нежелательные изменения положения клапана, воздействуя на закрывающий элемент клапана.

Крепление клапана состоит из двух элементов. Первый: фланец, используемый для прочного соединения привода с ответной частью на стороне клапана. Чем выше передаваемый крутящий момент, тем больше требуется фланец.

Второе: Тип выходного привода, используемый для передачи крутящего момента или тяги от привода к валу клапана. Так же, как существует множество клапанов, существует и множество креплений клапанов.

Размеры и конструкция фланца крепления клапана и навесных деталей клапана регламентируются стандартами EN ISO 5210 для многооборотных приводов или EN ISO 5211 для неполнооборотных приводов. Конструкция навесных деталей клапана для линейных приводов в целом основана на DIN 3358.

В базовой версии большинство электроприводов оснащены маховиком для управления приводами во время пусконаладки или отключения питания. Во время работы двигателя маховик не вращается.

Электронные ограничители крутящего момента не работают во время ручного управления. Механические ограничители крутящего момента обычно используются для предотвращения перегрузки крутящего момента во время ручного управления.

Как сигналы привода, так и команды управления DCS обрабатываются в элементах управления приводом. Эту задачу в принципе могут выполнять внешние элементы управления, например, ПЛК . Современные приводы включают в себя встроенные элементы управления, которые обрабатывают сигналы локально без какой-либо задержки. Элементы управления также включают в себя коммутационное оборудование, необходимое для управления электродвигателем. Это могут быть либо реверсивные контакторы , либо тиристоры, которые, будучи электрическим компонентом, не подвержены механическому износу. Элементы управления используют коммутационное оборудование для включения или выключения электродвигателя в зависимости от имеющихся сигналов или команд. Другая задача элементов управления приводом — подача в DCS сигналов обратной связи, например, при достижении конечного положения клапана.

Кабели питания двигателя и сигнальные кабели для передачи команд на привод и отправки сигналов обратной связи о состоянии привода подключаются к электрическому соединению. Электрическое соединение может быть выполнено в виде отдельно герметизированной клеммной заглушки или штепсельного разъема. Для целей технического обслуживания проводка должна легко отсоединяться и подключаться снова.

Технология Fieldbus все чаще используется для передачи данных в приложениях автоматизации процессов. Поэтому электроприводы могут быть оснащены всеми распространенными интерфейсами Fieldbus, используемыми в автоматизации процессов. Для подключения кабелей данных Fieldbus требуются специальные соединения.

После получения команды на управление привод перемещает клапан в направлении ОТКРЫТЬ или ЗАКРЫТЬ. При достижении конечного положения запускается автоматическая процедура отключения. Могут использоваться два принципиально разных механизма отключения. Средства управления отключают привод, как только достигается заданная точка срабатывания. Это называется фиксацией по пределу. Однако существуют типы клапанов, для которых запирающий элемент должен быть перемещен в конечное положение с определенной силой или определенным крутящим моментом, чтобы обеспечить герметичность клапана. Это называется фиксацией по моменту. Средства управления запрограммированы таким образом, чтобы гарантировать отключение привода при превышении заданного предела крутящего момента. Конечное положение сигнализируется концевым выключателем.

Переключение крутящего момента используется не только для фиксации крутящего момента в конечном положении, но также служит защитой от перегрузки на всем протяжении хода и защищает клапан от чрезмерного крутящего момента. Если на запирающий элемент в промежуточном положении действует чрезмерный крутящий момент, например, из-за застрявшего объекта, переключение крутящего момента сработает при достижении установленного крутящего момента отключения. В этой ситуации конечное положение не сигнализируется концевым выключателем. Поэтому элементы управления могут различать нормальное срабатывание крутящего момента в одном из конечных положений и выключение в промежуточном положении из-за чрезмерного крутящего момента.

Датчики температуры необходимы для защиты двигателя от перегрева. Для некоторых приложений других производителей также контролируется увеличение тока двигателя. Термовыключатели или термисторы PTC , встроенные в обмотки двигателя, в основном надежно выполняют эту задачу. Они срабатывают при превышении предельной температуры, и элементы управления отключают двигатель.

В связи с растущей децентрализацией в технологии автоматизации и внедрением микропроцессоров все больше функций переносится из DCS в полевые устройства. Объем передаваемых данных соответственно сократился, в частности, за счет внедрения технологии полевой шины. Электрические приводы, функции которых были значительно расширены, также затронуты этим развитием. Простейшим примером является управление положением. Современные позиционеры оснащены самоадаптацией, т.е. поведение позиционирования контролируется и непрерывно оптимизируется с помощью параметров контроллера.

Между тем, электроприводы оснащены полноценными контроллерами процесса (ПИД-регуляторы). Особенно для удаленных установок, например, для управления потоком в напорный резервуар, привод может взять на себя задачи ПЛК, которые в противном случае пришлось бы устанавливать дополнительно.

Современные приводы имеют обширные диагностические функции, которые могут помочь определить причину отказа. Они также регистрируют рабочие данные. Изучение зарегистрированных данных позволяет оптимизировать работу путем изменения параметров и уменьшить износ как привода, так и клапана.

Если клапан используется в качестве запорного, то он будет либо открыт, либо закрыт, промежуточные положения не удерживаются...

Определенные промежуточные положения достигаются для установки статического потока через трубопровод. Применяются те же ограничения по времени работы, что и в режиме открытия-закрытия.

Наиболее отличительной чертой замкнутого контура является то, что изменяющиеся условия требуют частой регулировки привода, например, для установки определенного расхода. Чувствительные замкнутые контуры требуют регулировки с интервалом в несколько секунд. Требования к приводу выше, чем в режиме открытия-закрытия или позиционирования. Конструкция привода должна выдерживать большое количество запусков без ухудшения точности управления.

Приводы определяются для требуемого срока службы и надежности для заданного набора условий эксплуатации. В дополнение к статической и динамической нагрузке и времени отклика, требуемым для клапана, привод должен выдерживать диапазон температур, коррозионную среду и другие условия конкретного применения. Применения приводов клапанов часто связаны с безопасностью, поэтому операторы предприятий предъявляют высокие требования к надежности устройств. Отказ привода может привести к авариям на предприятиях с контролируемым процессом, а токсичные вещества могут утечь в окружающую среду.

Установки управления технологическими процессами зачастую эксплуатируются в течение нескольких десятилетий, что оправдывает более высокие требования, предъявляемые к сроку службы устройств.

По этой причине приводы всегда проектируются с высокой степенью защиты корпуса. Производители вкладывают много труда и знаний в защиту от коррозии .

Типы защиты корпуса определяются в соответствии с кодами IP стандарта EN 60529. Базовые версии большинства электроприводов разработаны для второй по величине степени защиты корпуса IP 67. Это означает, что они защищены от проникновения пыли и воды при погружении (30 мин при макс. высоте столба воды 1 м). Большинство производителей приводов также поставляют устройства с защитой корпуса IP 68, которая обеспечивает защиту от погружения до макс. высоты столба воды 6 м.

В Сибири возможны температуры до – 60 °C, а на технологических предприятиях может быть превышена температура + 100 °C. Использование правильной смазки имеет решающее значение для полноценной работы в этих условиях. Смазки , которые могут использоваться при комнатной температуре, могут стать слишком твердыми при низких температурах, чтобы привод мог преодолеть сопротивление внутри устройства. При высоких температурах эти смазки могут разжижаться и терять свою смазывающую способность. При выборе размера привода температура окружающей среды и выбор правильной смазки имеют большое значение.

Исполнительные механизмы используются в приложениях, где могут возникнуть потенциально взрывоопасные атмосферы. Сюда входят, среди прочего, нефтеперерабатывающие заводы, трубопроводы , разведка нефти и газа или даже горнодобывающая промышленность . При возникновении потенциально взрывоопасной смеси газа и воздуха или смеси газа и пыли исполнительный механизм не должен выступать в качестве источника воспламенения. Необходимо избегать горячих поверхностей на исполнительном механизме, а также искр воспламенения, создаваемых исполнительным механизмом. Этого можно достичь с помощью взрывобезопасного корпуса, в котором корпус спроектирован таким образом, чтобы не допустить выхода искр воспламенения из корпуса, даже если внутри произойдет взрыв.

Исполнительные механизмы, предназначенные для этих применений, будучи взрывозащищенными устройствами, должны быть квалифицированы испытательным органом (уполномоченным органом). Защита от взрыва не стандартизирована во всем мире. В Европейском Союзе применяется ATEX 94/9/EC, в США — NEC (одобрение FM ) или CEC в Канаде (одобрение CSA ). Взрывозащищенные исполнительные механизмы должны соответствовать требованиям к конструкции этих директив и правил.

Малые электрические приводы могут использоваться в самых разных сборочных , упаковочных и испытательных приложениях. Такие приводы могут быть линейными , поворотными или комбинацией этих двух, и могут быть объединены для выполнения работы в трех измерениях. Такие приводы часто используются для замены пневматических цилиндров . ^[4]

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Приводы клапанов» .