Регулирующие клапаны

В этом материале кратко описаны основные элементы различных типов регулирующих клапанов с линейным и поворотным движением, применяемых в паровых и водяных системах.

Блок 6 руководства The Steam and Condensate Loop посвящён практическим аспектам управления и показывает, как применять базовую теорию управления, рассмотренную в Block 5.

Базовая система управления обычно состоит из следующих элементов:

• регулирующие клапаны;
• приводы;
• контроллеры;
• датчики.

Все эти термины являются общими и могут включать множество вариантов исполнения и характеристик. С развитием технологий границы между отдельными устройствами и их определениями становятся менее чёткими. Например, positioner, который традиционно лишь устанавливал клапан в определённое положение в пределах его хода, теперь может:

• принимать сигнал непосредственно от датчика и выполнять функцию управления;
• взаимодействовать с компьютером для изменения алгоритмов управления и выполнения диагностических процедур;
• изменять перемещение клапана для изменения характеристик регулирующего клапана;
• взаимодействовать с цифровыми системами связи предприятия.

Тем не менее для ясности далее каждое устройство будет рассматриваться отдельно.

#Регулирующие клапаны

Хотя существует большое количество типов клапанов, в этом документе внимание сосредоточено на тех, которые наиболее широко используются для автоматического управления паром и другими промышленными средами. К ним относятся:

• клапаны с линейным и поворотным перемещением штока;
• к линейным относятся globe valves и slide valves;
• к поворотным относятся ball valves, butterfly valves, plug valves и их разновидности.

Первый выбор, который необходимо сделать, это выбор между двухходовыми и трёхходовыми клапанами.

• Двухходовые клапаны дросселируют поток среды, проходящей через них.
• Трёхходовые клапаны могут использоваться для смешения или переключения потоков жидкости.

#Двухходовые клапаны

Globe valves Globe valves часто используются в системах управления благодаря их пригодности к дросселированию потока и возможности задать определённую характеристику, связывающую степень открытия клапана с расходом.

Два типичных типа globe valves показаны на Figure 6.1.1. Перемещение клапана обеспечивалось бы приводом, соединённым со штоком клапана.

Однако у любого двухседельного клапана есть потенциальная проблема. Из-за производственных допусков и различий в коэффициентах теплового расширения лишь немногие двухседельные клапаны могут гарантированно обеспечивать хорошую плотность закрытия.

#Плотность закрытия

Утечка через регулирующий клапан классифицируется по тому, какое количество среды проходит через клапан при его полном закрытии. Для стандартного двухседельного клапана утечка в лучшем случае соответствует Class III (0.1% от полного расхода), и это может быть слишком много для некоторых применений. Кроме того, поскольку пути потока через оба прохода различаются, силы могут перестать быть уравновешенными при открытии клапана.

Существуют международные стандарты, формализующие допустимые утечки регулирующих клапанов. Приведённые значения основаны на British Standard BS 5793 Part 4 (IEC 60534-4). Для неуравновешенного стандартного односедельного клапана утечка обычно соответствует Class IV (0.01% от полного расхода), хотя возможно получить и Class V. В общем случае чем меньше утечка, тем выше стоимость.

#Уравновешенные односедельные клапаны

Из-за проблемы утечки, характерной для двухседельных клапанов, если требуется плотное закрытие, следует выбирать односедельный клапан. Однако усилие, необходимое для закрытия односедельного globe valve, резко возрастает с увеличением размера. Поэтому некоторые клапаны снабжаются балансировочным механизмом, уменьшающим требуемое закрывающее усилие, особенно при больших перепадах давления. В piston-balanced valve часть давления среды до клапана передаётся по внутренним каналам в полость над тарелкой клапана, образуя balancing chamber. Давление в этой полости создаёт усилие, направленное вниз, как показано на Figure 6.1.4, уравновешивает давление до клапана и помогает обычному усилию привода при закрытии клапана.

#Шиберные клапаны со штоком

Slide valves обычно выполняются в двух конструктивных вариантах: wedge gate и parallel slide. Оба типа хорошо подходят для отсечения потока, так как обеспечивают плотное закрытие и создают очень малый перепад давления в открытом положении. Оба типа используются как клапаны с ручным управлением, но если требуется автоматический привод, обычно выбирают parallel slide valve, как для отсечки, так и для регулирования. Типичные клапаны показаны на Figure 6.1.5.

Parallel slide valve закрывается двумя подпружиненными скользящими дисками (пружины не показаны), которые проходят через поток среды; давление среды обеспечивает плотное прилегание downstream-диска к его седлу. Parallel slide valves большого размера используются на главных паропроводах и линиях питательной воды в энергетике и технологической промышленности для отсечения участков установки. Параллельные шиберы малого диаметра также используются для управления вспомогательными паровыми и водяными системами, хотя зачастую из-за стоимости эти функции выполняют шаровые клапаны с приводом и клапаны piston type.

#Поворотные клапаны

Поворотные клапаны, часто называемые quarter-turn valves, включают plug valves, ball valves и butterfly valves. Все они требуют вращательного движения для открытия и закрытия и легко оснащаются приводами.

#Эксцентриковые plug valves

Figure 6.1.6 показывает типичный eccentric plug valve. Такие клапаны обычно устанавливаются с горизонтальным расположением штока пробки, как показано на рисунке, а привод располагается сбоку от клапана.

Для увеличения плеча рычага и закрывающего усилия plug valves могут иметь рычажные механизмы между пробкой и приводом, а также специальные positioners, которые изменяют inherent valve characteristic на более полезную equal percentage characteristic (характеристики клапанов рассматриваются в Module 6.5).

#Шаровые клапаны

Figure 6.1.7 показывает ball valve, состоящий из сферического шара, расположенного между двумя уплотнительными кольцами в простом корпусе. В шаре имеется отверстие для прохода среды. Когда оно совпадает с концами трубопровода, обеспечивается полный или почти полный проход с очень малым перепадом давления. Поворот шара на 90° открывает и закрывает проход. Ball valves, специально предназначенные для регулирования, имеют profile balls или специальные седла для получения предсказуемой характеристики расхода.

Ball valves являются экономичным средством регулирования с плотным закрытием для многих сред, включая пар при температурах до 250°C (38 bar g, насыщенный пар). Выше этой температуры требуются специальные материалы седла или металлическое уплотнение по металлу, что может быть дорого. Ball valves легко оснащаются приводами и часто применяются для дистанционного отсечения и регулирования. Для ответственных регулирующих применений доступны segmented balls и шары со специально профилированными отверстиями, обеспечивающими различные расходные характеристики.

#Поворотные дисковые затворы

Figure 6.1.8 представляет простую схему butterfly valve, состоящего из диска, вращающегося в цапфенных подшипниках. В открытом положении диск расположен параллельно стенке трубы и позволяет потоку проходить свободно. В закрытом положении он поворачивается к седлу и становится перпендикулярным стенке трубы.

Традиционно butterfly valves были ограничены низкими давлениями и температурами из-за inherent limitations мягких седел. Сегодня доступны клапаны с седлами для более высоких температур или с высококачественными и специально обработанными металлическими уплотнениями, что позволяет устранить эти недостатки. Стандартные butterfly valves теперь используются в простых регулирующих применениях, особенно в больших размерах и там, где требуется ограниченный turndown.

Для более тяжёлых режимов доступны специальные butterfly valves.

Поток через butterfly valve создаёт малый перепад давления, так как в открытом положении клапан мало сопротивляется потоку. В общем случае, однако, допустимые перепады давления для них ниже, чем для globe valves. Ball valves схожи в этом отношении, но благодаря иной схеме уплотнения могут работать при более высоких перепадах давления, чем эквивалентные butterfly valves.

#Варианты

При выборе регулирующего клапана всегда существует ряд вариантов, которые необходимо учитывать. Для globe valves это включает выбор материала уплотнения штока и конфигурации сальникового уплотнения, чтобы сделать клапан пригодным для работы при более высоких температурах или с разными средами. Некоторые примеры приведены на простых схемах Figure 6.1.9. Стоит отметить, что разные типы сальникового уплотнения создают различное трение штока. Например, традиционная stuffing box packing создаёт большее трение, чем подпружиненное PTFE chevron packing или bellows sealed type. Большее трение требует большего усилия привода и увеличивает склонность к рывковому перемещению.

Подпружиненное уплотнение автоматически подтягивается по мере износа, уменьшая необходимость регулярного ручного технического обслуживания. Bellows sealed valves являются самыми дорогими из этих трёх типов, но обеспечивают минимальное трение и наилучшее уплотнение штока. Как видно на Figure 6.1.9, у bellows sealed valves обычно имеется ещё один набор традиционного уплотнения в верхней части узла штока. Он служит последней защитой от возможной утечки по штоку в атмосферу.

#Итоги по двухходовым клапанам для автоматического управления

Наиболее широко используемым типом клапана для автоматического управления паровыми процессами и применениями является globe valve. Его сравнительно легко оснащать приводом, он универсален и обладает inherent characteristics, хорошо соответствующими задачам автоматического управления паром.

Следует также отметить, что двухходовые автоматические регулирующие клапаны применяются и в жидкостных системах, например в системах горячей воды низкой, средней и высокой температуры, а также в системах с термомаслом. Для жидкостных систем характерна необходимость гидравлической балансировки по массовому расходу. Во многих случаях проектируется система, в которой двухходовые клапаны можно использовать без разрушения баланса распределительной сети.

Однако если двухходовые клапаны нельзя использовать в жидкостной системе, применяют трёхходовые клапаны, которые по своей природе поддерживают баланс распределительной системы, работая в режиме переключения или смешения.

#Трёхходовые клапаны

Трёхходовые клапаны могут использоваться как для смешения, так и для переключения в зависимости от расположения тарелки и седел внутри клапана. Простое определение каждой функции показано на Figure 6.1.11.

#Поршневые клапаны

Этот тип клапана имеет полый поршень (Figure 6.1.12), который перемещается вверх и вниз приводом, попеременно перекрывая и открывая проходы A и B. Port A и port B имеют одинаковую суммарную площадь прохода, и в любой момент суммарная площадь обоих проходов остаётся постоянной. Например, если port A открыт на 30%, то port B открыт на 70%, и наоборот. Такой клапан inherently balanced и управляется самодействующей системой. Примечание: конфигурация проходов может отличаться у разных производителей.

#Трёхходовые клапаны globe type (также называемые ‘lift and lay’)

Здесь привод перемещает диск или пару тарелок клапана между двумя седлами (Figure 6.1.13), соответственно увеличивая или уменьшая поток через ports A и B.

#Трёхходовой клапан с поворотной башмаковой заслонкой

Этот тип клапана использует вращающийся башмак, который перемещается по поверхностям проходов. Схема на Figure 6.1.15 показывает смесительное применение, где примерно 80% потока идёт через port A и 20% через port B, а 100% выходит через port AB.

#Применение трёхходовых клапанов

Не все типы можно использовать и для смешения, и для переключения. Figure 6.1.16 показывает неправильное применение globe valve, изготовленного как смесительный клапан, но используемого как переключающий.