Краткий обзор типов регулирующих клапанов

Отсутствие точного контроля над технологическими жидкостями может привести к значительным потерям эффективности, повреждению оборудования и даже катастрофическим отказам. Если вы не выберете и не установите правильный регулирующий клапан, ваша система автоматизации будет работать значительно ниже своего потенциала. Это краткое руководство знакомит с основными типами клапанов, необходимыми для обеспечения стабильности и безопасности вашей работы.

Регулирующие клапаны являются важнейшими устройствами в любой системе промышленной автоматизации, выступая в качестве конечного элемента управления для регулирования таких параметров процесса, как расход, давление, температура и уровень. Они работают за счет управления открытием и закрытием внутренней пробки или диска внутри корпуса клапана, что позволяет точно регулировать количество жидкости, проходящей через систему, тем самым обеспечивая качество продукции и безопасность эксплуатации.

Продолжайте читать, чтобы углубиться в технические детали и понять, как каждая классификация может быть применена для решения ваших конкретных задач.

Определение регулирующего клапана

Регулирующий клапан, часто называемый «конечным регулирующим элементом», представляет собой механическое устройство, предназначенное для целенаправленного изменения расхода рабочей среды (жидкости, газа, пара или суспензии) в ответ на сигнал от контроллера. Он принимает входной сигнал (обычно пневматический или электрический) и преобразует его в позиционирующее действие штока клапана. Это действие изменяет площадь проходного сечения рабочей среды, позволяя поддерживать технологическую переменную (например, давление в резервуаре или расход в трубопроводе) на заданном уровне.

Важность регулирующего клапана

В современном промышленном мире значение регулирующих клапанов неоспоримо. Они являются основой управления технологическими процессами в таких отраслях, как нефтехимическая, фармацевтическая, энергетическая и водоочистная промышленность. Без них управление процессами было бы ручным и неточным, что привело бы к потерям сырья, некачественной продукции, высокому энергопотреблению и риску аварий. Работоспособность регулирующего клапана часто является решающим фактором для общей эффективности и безопасности предприятия.

Классификация по принципу действия

Данная классификация фокусируется на типе технологической переменной, которую клапан предназначен непосредственно контролировать.

Клапан регулирования давления

Определение и принцип работы

Регулирующие клапаны используются для поддержания, снижения или сброса давления в определенной точке системы. Они работают, открываясь или закрываясь пропорционально измеренному давлению. Распространенным примером является редукционный клапан (PRV), который использует давление на выходе для противодействия пружине, регулируя внутреннее отверстие, чтобы обеспечить поддержание постоянного давления на выходе независимо от колебаний давления на входе.

Типичные виды и сценарии применения

• Предохранительные/сбросные клапаны: используются для сброса избыточного давления из системы или оборудования, защищая его от катастрофических отказов. Применение: сосуды под давлением и котлы.

• Редукционные клапаны (PRV): снижают высокое давление в магистральной линии до более безопасного, более низкого рабочего давления. Применение: водопроводные и газораспределительные сети.

• Обратные клапаны: поддерживают постоянное минимальное давление на входном трубопроводе. Применение: выход дозирующих насосов.

Регулирующий клапан потока

Определение и принцип работы

Регулирующие клапаны, также известные как клапаны регулирования расхода, предназначены для модуляции скорости прохождения жидкости. Они работают, изменяя размер отверстия (диафрагмы) для создания сужения потока. В автоматических системах клапан получает сигнал от расходомера и ПИД-регулятора для обеспечения точного поддержания заданного расхода.

Типичные виды и сценарии применения

• Игольчатые клапаны: обеспечивают чрезвычайно точную и линейную регулировку потока благодаря конической затворной крышке. Применение: контрольно-измерительные приборы и линии отбора проб малого диаметра.

• Запорные клапаны (с описанием характеристик): Это наиболее распространенные клапаны регулирования потока, поскольку их внутренняя конструкция идеально подходит для модуляции (дроссельного регулирования). Применение: Точное регулирование потока в химических и фармацевтических процессах.

Направленный регулирующий клапан

Определение и принцип работы

Распределительные клапаны (или путевые клапаны) отвечают за направление потока жидкости по различным путям. Они не регулируют скорость потока или давление, а лишь его направление, позволяя соединять, перекрывать или изменять направление потоков. Механизм обычно представляет собой скользящий золотник или набор седел, которые перемещаются для изменения соединений между входным и выходным отверстиями.

Типичные виды и сценарии применения

• Двухходовые клапаны (нормально закрытые или открытые): просто включают или выключают поток. Применение: блокировка технологических линий.

• 3/2, 4/2, 5/2-ходовые клапаны: В основном используются в пневматических и гидравлических системах для управления работой одно- или двухсторонних цилиндров. Области применения: автоматизация машин, управление поршнями и исполнительными механизмами.

Классификация по типу привода (исполнительному механизму)

Исполнительный механизм — это компонент, который перемещает внутреннюю часть клапана (запорный клапан/диск) в ответ на управляющий сигнал.

Пневматический регулирующий клапан

Определение и принцип работы

Пневматический клапан использует сжатый воздух для создания усилия, необходимого для позиционирования клапана. Типичный привод представляет собой диафрагменный или поршневой механизм, где давление воздуха (обычно от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм) воздействует на пружину. Это наиболее распространенный тип во многих отраслях промышленности благодаря своей простоте, надежности и способности создавать большое усилие и быстро реагировать.

Преимущества и сценарии применения

• Преимущества: искробезопасность (не образует искр), высокая скорость отклика, надежность и низкие затраты на техническое обслуживание.

• Области применения: опасные среды (засекреченные зоны), крупные клапаны, требующие большой силы нажатия, и процессы, где скорость имеет решающее значение.

Электрический регулирующий клапан

Определение и принцип работы

Электрический клапан использует двигатель (сервомотор или шаговый двигатель) или соленоид для привода штока. В модулирующих системах электрические приводы обеспечивают высокоточное позиционирование и могут принимать сигналы 4-20 мА или осуществлять цифровую связь (HART, Fieldbus). В системах включения/выключения соленоид является простейшей и самой быстрой формой электрического привода.

Преимущества и сценарии применения

• Преимущества: высокая точность позиционирования, не требует сжатого воздуха (упрощает работу измерительных приборов) и удобна обратная связь по положению.

• Применение: Процессы, требующие высокой точности (дозирование), где сжатый воздух недоступен или дорог, а также для быстрозапорных клапанов (соленоидов).

Гидравлический регулирующий клапан

Определение и принцип работы

Гидравлические клапаны используют несжимаемую жидкость (масло) под высоким давлением для перемещения исполнительного механизма. Благодаря высокой плотности энергии гидравлической жидкости, они способны создавать огромные усилия в компактном корпусе. Управление жидкостью обычно осуществляется с помощью пилотных электромагнитных клапанов, которые направляют масло к главному исполнительному механизму, перемещая клапан.

Преимущества и сценарии применения

• Преимущества: Создает чрезвычайно высокие усилия, обладает высокой жесткостью (низкое проскальзывание или непроизвольные движения), идеально подходит для больших размеров.

• Области применения: клапаны большого диаметра, системы высокого давления (например, в морской нефтегазовой отрасли) и области применения, требующие большого крутящего момента.

Классификация по конструктивным особенностям (корпус и заглушка)

Данная классификация описывает способы достижения герметизации и регулирования потока.

Задвижка

Структура и принцип работы

Задвижка имеет клиновидную или «запорную» пробку, которая перемещается перпендикулярно потоку, поднимаясь и опускаясь, чтобы пропускать или блокировать поток. В полностью открытом состоянии диск удаляется из пути потока, что приводит к минимальному падению давления.

Функции и сценарии применения

• Особенности: Идеально подходит для работы в режиме "включено/выключено", низкое сопротивление потоку (высокая скорость потока), но непригоден для дросселирования (модуляции) из-за риска износа седла.

• Применение: В трубопроводах для транспортировки жидкостей, где клапан должен быть полностью открыт или полностью закрыт, например, в запорных клапанах.

Шаровой клапан

Структура и принцип работы

Запорный клапан имеет пробку, которая перемещается перпендикулярно седлу, а корпус клапана заставляет жидкость менять направление. Это изменение направления (которое придает ему «шарообразную» форму) создает естественное сопротивление, что делает его превосходным инструментом для дросселирования (модуляции).

Функции и сценарии применения

• Особенности: Отличная способность к дросселированию и герметизации, но создает большее падение давления, чем задвижка.

• Применение: Практически основной выбор для большинства задач управления модуляцией потока.

Шаровой клапан

Структура и принцип работы

В шаровом клапане используется вращающийся шарик с отверстием, просверленным по центру. Поворот штока на 90 градусов (на четверть оборота) перемещает отверстие из полностью выровненного по направлению потока (открытое положение) в перпендикулярное направлению потока (закрытое положение).

Функции и сценарии применения

• Особенности: Быстрое срабатывание (поворот на четверть оборота), хорошая герметичность и высокая пропускная способность в полностью открытом состоянии. Сегментированные версии могут использоваться для управления (модуляции).

• Применение: Быстрое и частое включение/выключение, работа с жидкостями, содержащими суспензию (версии с мягким уплотнением), а также перекрытие трубопроводов.

Запорный клапан типа «бабочка»

Структура и принцип работы

Запорный клапан имеет плоский диск, установленный на штоке, который вращается на 90 градусов внутри корпуса. Диск всегда, в той или иной степени, подвергается воздействию потока, даже в полностью открытом состоянии, что создает некоторое падение давления.

Функции и сценарии применения

• Особенности: Легкий, компактный и недорогой, идеально подходит для больших диаметров. Обеспечивает хорошие возможности модуляции для менее требовательных задач.

• Области применения: системы большого диаметра, инженерные сети (воздух, вода), а также системы регулирования потока газа и вентиляции.

Краткое содержание

Овладение классификацией регулирующих клапанов (по принципу действия, приводу и конструкции) имеет важное значение для оптимизации любого процесса.

Часто задаваемые вопросы

1. В чем основное различие между задвижкой и шаровым клапаном?

A: Задвижка идеально подходит для работы в режиме "вкл/выкл" и имеет низкое падение давления. Шаровой клапан идеально подходит для регулирования (модуляции) и имеет большее падение давления.

2. Почему пневматические клапаны предпочтительнее в опасных средах?

А: Пневматические клапаны используют сжатый воздух для привода и не требуют электричества в приводе, что делает их искробезопасными, поскольку они не генерируют искр, что делает их идеальными для зон с повышенным риском взрыва.

3. Что такое регулировочный клапан?

А: Внутренний элемент клапана (плунжер, седло и корпус) — это набор внутренних деталей, регулирующих поток. Геометрия внутреннего элемента определяет характеристики потока клапана (например, линейная, равнопроцентная или быстрое открытие).

4. Что означает регулирующий клапан 4-20 мА?

A: Это означает, что привод (или позиционер) клапана получает стандартный промышленный электрический управляющий сигнал. 4 мА соответствует нулевому положению (обычно полностью закрытому), а 20 мА — максимальному положению (полностью открытому).

5. В чём заключается основная сложность модуляции с помощью дроссельного клапана?

А: Диск дискового затвора, даже в открытом состоянии, создает некоторое препятствие, и при небольших углах регулирование потока не очень точное, что ограничивает его использование менее критичными задачами регулирования.