Электропривод запорной арматуры

Что такое электропривод запорной арматуры

Электропривод запорной арматуры представляет собой управляемую электромеханическую систему, состоящую из электродвигателя, редуктора, блока концевых выключателей и системы управления согласно ГОСТ 34610-2019. Устройство обеспечивает передачу крутящего момента или осевого усилия от двигателя к рабочему органу арматуры через редуктор, преобразующий параметры движения.

Основная функция электропривода — обеспечение автоматического или дистанционного открытия и закрытия трубопроводной арматуры по командным сигналам от систем управления. Электроприводы позволяют исключить ручной труд операторов, повысить точность позиционирования запорных элементов и обеспечить безопасность технологических процессов.

Конструктивные элементы

Стандартный электропривод включает следующие узлы: асинхронный или синхронный электродвигатель переменного тока мощностью от 0,12 до 18,5 кВт, червячный или планетарный редуктор с передаточным отношением от 30:1 до 2000:1, блок концевых и моментных выключателей для ограничения хода и защиты от перегрузок, механизм ручного дублера для аварийного управления.

Корпус электропривода выполняется из алюминиевого сплава или чугуна со степенью защиты IP54-IP68 для эксплуатации в условиях повышенной влажности, запыленности и агрессивных сред. Рабочий температурный диапазон составляет от минус 40 до плюс 80 градусов Цельсия для стандартного исполнения, расширенный диапазон от минус 60 до плюс 60 градусов для специальных версий.

Принцип работы электропривода

При поступлении управляющего сигнала электродвигатель начинает вращение, передавая крутящий момент через редуктор на выходной вал. Редуктор снижает скорость вращения и увеличивает крутящий момент в соответствии с передаточным отношением, обеспечивая необходимое усилие для перемещения запорного органа арматуры.

Блок концевых выключателей контролирует положение выходного вала и отключает электродвигатель при достижении крайних положений — полностью открыто или полностью закрыто. Моментная муфта срабатывает при превышении установленного крутящего момента, защищая редуктор и арматуру от механических повреждений при заклинивании.

Режимы управления

Электроприводы обеспечивают три основных режима управления. Автоматический режим предусматривает работу по сигналам от контроллеров АСУ ТП с токовым входом 4-20 мА или цифровым интерфейсом. Дистанционный режим осуществляется с помощью кнопочного пульта управления или коммутационных аппаратов в шкафу управления. Местный ручной режим реализуется через маховик ручного дублера при отключении электродвигателя муфтой расцепления.

Типы электроприводов запорной арматуры

Многооборотные электроприводы

Многооборотные приводы предназначены для управления арматурой, требующей более одного полного оборота выходного вала для полного открытия или закрытия. Применяются для задвижек и запорных клапанов с ходом штока от 50 до 1500 мм. Крутящий момент составляет от 10 до 32000 Н·м для стандартных моделей и до 120000 Н·м при комбинации с понижающими редукторами.

Многооборотные приводы оснащаются пустотелым выходным валом, через который проходит поднимающийся шток задвижки. Количество оборотов для полного хода составляет от 5 до 200 оборотов в зависимости от типоразмера арматуры. Скорость вращения выходного вала варьируется от 4 до 180 оборотов в минуту.

Четвертьоборотные и неполнооборотные электроприводы

Четвертьоборотные приводы обеспечивают поворот выходного вала на 90 градусов для управления шаровыми кранами, дисковыми затворами и поворотными заслонками. Однооборотные механизмы типа МЭО и МЭОФ выполняют поворот от 0 до 360 градусов для пробковых кранов и многопозиционных затворов. Крутящий момент четвертьоборотных приводов достигает 3000 Н·м для базовых моделей и 1000000 Н·м с применением мультипликаторов.

Время полного хода четвертьоборотных приводов составляет от 4 до 100 секунд при номинальной частоте вращения. Исполнительные механизмы МЭО отличаются малым выбегом выходного вала за счет применения самотормозящейся червячной передачи и высокими динамическими характеристиками при частоте коммутации до 1200 включений в час.

Прямоходные электроприводы

Прямоходные приводы создают осевое усилие для перемещения штока клапанов по прямолинейной траектории без вращения. Применяются для регулирующих клапанов седельного типа с ходом штока от 10 до 250 мм. Развиваемое усилие составляет от 1 до 75 кН в зависимости от типоразмера привода. Оснащаются кулисно-винтовым или кривошипно-шатунным механизмом преобразования вращательного движения в поступательное.

Характеристики ведущих производителей электроприводов

Электроприводы МЭО и МЭОФ российского производства

Механизмы электрические однооборотные МЭО выпускаются предприятиями АБС ЗЭиМ Автоматизация и другими российскими производителями. Диапазон крутящего момента составляет от 6,3 до 10000 Н·м в маркировке, например МЭО-250, МЭО-630, МЭО-4000. Номинальное время полного хода варьируется от 16 до 400 секунд при номинальном ходе выходного вала 0,25 оборота.

Модификация МЭОФ представляет фланцевое исполнение с непосредственным монтажом на арматуру без дополнительных элементов. Электроприводы оснащаются блоком сигнализации положения реостатного, индуктивного или токового типа либо блоком концевых выключателей. Питание осуществляется от сети переменного тока 220 В однофазной или 380 В трехфазной с обозначением литеры К в маркировке.

Электроприводы AUMA немецкого производства

Компания AUMA Riester производит многооборотные приводы серии SA с крутящим моментом от 10 до 32000 Н·м и скоростью вращения от 4 до 180 оборотов в минуту. Модельный ряд включает приводы SA 07.2 до SA 48.1 для запорного режима и SAR 07.2 до SAR 30.1 для регулирующего режима с частотой коммутации до 1200 включений в час при продолжительности включения 50 процентов.

Четвертьоборотные приводы серии SQ обеспечивают крутящий момент от 150 до 2400 Н·м при времени поворота на 90 градусов от 4 до 100 секунд. Встроенный блок управления AUMA MATIC обеспечивает позиционирование с точностью 0,1 процента хода, регистрацию характеристик крутящего момента и диагностику по протоколу NAMUR. Корпус с двойной герметизацией соответствует степени защиты IP68 для эксплуатации в условиях повышенной влажности.

Электроприводы Rotork британского производства

Электроприводы Rotork серии IQ третьего поколения развивают крутящий момент от 14 до 3000 Н·м для базовых моделей, до 43000 Н·м с редукторами IS или IB для многооборотных применений и до 1000000 Н·м с редуктором IW для четвертьоборотных применений. Многооборотные приводы IQ и четвертьоборотные IQT оснащаются абсолютным бесконтактным датчиком положения с измерением до 8000 оборотов и разрешением 7,5 градуса с функциями резервирования и самодиагностики.

Встроенный регистратор данных запоминает информацию о характеристиках крутящего момента, температуре двигателя и вибрации для планового технического обслуживания. Дистанционная настройка осуществляется по инфракрасному каналу и через Bluetooth с четырьмя уровнями безопасности. Регулирующие приводы серии IQM обеспечивают до 1200 пусков в час с динамическим торможением для повышения точности позиционирования.

Выбор электропривода для запорной арматуры

Определение требуемого крутящего момента

Крутящий момент электропривода должен превышать момент трогания арматуры с коэффициентом запаса от 1,2 до 1,5 в зависимости от условий эксплуатации. Для задвижек клиновых чугунных с обрезиненным клином при условном диаметре DN 100 требуется момент около 100 Н·м, для DN 200 — около 130 Н·м, для DN 300 — около 150 Н·м при давлении 1,6 МПа. Шаровые краны требуют больший момент в зависимости от конструкции затвора.

Момент трогания зависит от типа уплотнения, давления среды, температуры и продолжительности простоя арматуры. Для арматуры с резиновым уплотнением при отрицательных температурах коэффициент запаса увеличивается до 2,0. Расчетный момент указывается изготовителем арматуры в паспорте изделия и служит основой для подбора электропривода.

Выбор типа привода по виду арматуры

Для задвижек с выдвижным штоком применяются многооборотные приводы с пустотелым валом диаметром от 50 до 200 мм. Количество оборотов на полный ход определяется по формуле: число оборотов равно ходу штока, деленному на шаг резьбы шпинделя. Для задвижки DN 300 с ходом 300 мм и шагом резьбы 8 мм требуется 37,5 оборотов.

Условия эксплуатации и исполнение

Для установки на открытом воздухе выбираются приводы в климатическом исполнении УХЛ1 с диапазоном рабочих температур от минус 60 до плюс 60 градусов. Степень защиты корпуса IP67 или IP68 обеспечивает защиту от проникновения пыли и длительного погружения под воду, конкретные параметры погружения определяются производителем.

Взрывозащищенное исполнение с маркировкой взрывозащиты 1ExdIICT4 или 1ExdbIIBT4 применяется во взрывоопасных зонах согласно техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 012/2011. Приводы для атомной энергетики проходят сейсмические испытания на устойчивость к ускорению 9 баллов по шкале MSK-64 и соответствуют стандартам IEEE для оборудования АЭС.

Настройка концевых выключателей электропривода

Назначение концевых выключателей

Концевые выключатели обеспечивают автоматическое отключение электродвигателя при достижении выходным валом крайних положений открыто и закрыто. Блок концевых выключателей содержит кулачковый механизм, связанный с выходным валом через червячную пару или зубчатую передачу, и микропереключатели с контактами на размыкание цепи управления.

Дополнительно устанавливаются промежуточные выключатели для сигнализации промежуточных положений и моментные выключатели для защиты от перегрузки. Моментная муфта настраивается на срабатывание при превышении номинального крутящего момента на 20-30 процентов путем регулировки натяжения пружин или электронной настройкой в цифровых блоках управления.

Порядок настройки концевых выключателей

Перед настройкой электропривод устанавливается на арматуру, корпус заземляется, выполняется проверка направления вращения выходного вала по индикатору положения. С помощью маховика ручного дублера арматура вручную перемещается в положение полностью закрыто, определяется это положение по упору или по показаниям манометра на испытательном стенде.

Аналогично выполняется настройка концевика открыто, перемещая арматуру маховиком в положение полностью открыто и регулируя соответствующий кулачок. После настройки производится пробный пуск электропривода в автоматическом режиме с проверкой срабатывания концевиков в крайних положениях и отсутствия перебега выходного вала.

Регулировка моментной муфты

Двухсторонняя муфта ограничения крутящего момента настраивается на заводе-изготовителе согласно заказной спецификации. Для изменения установки момента на объекте ослабляются контргайки регулировочных винтов, изменяется натяжение пакета тарельчатых пружин равномерным вращением винтов с контролем по динамометру. Момент срабатывания проверяется при испытании привода с арматурой на стенде.

В электроприводах с электронным блоком управления настройка момента выполняется программно через меню настроек с отображением текущего значения момента на дисплее в процентах от номинала. Калибровка электронного датчика момента производится методом запоминания характеристики крутящего момента при полном цикле открыто-закрыто на реальной арматуре.

Управление электроприводом запорной арматуры

Схемы управления

Простейшая схема управления включает магнитный пускатель с катушкой на напряжение управления 220 В или 24 В, контакты концевых выключателей в цепи катушки и кнопки управления открыть-стоп-закрыть. Для реверсивного управления применяются два пускателя с электрической или механической блокировкой одновременного включения.

Автоматическое управление осуществляется от контроллера через дискретные выходы или токовый сигнал 4-20 мА для позиционирования. Встроенный позиционер в электроприводе преобразует токовый сигнал в команду перемещения выходного вала в заданную позицию с точностью 1-2 процента. Обратная связь о положении передается в контроллер через аналоговый выход 4-20 мА или цифровой интерфейс.

Блоки управления электроприводами

Блоки управления электроприводами БУЭП обеспечивают защиту электродвигателя от перегрузки, короткого замыкания и обрыва фазы. Встроенное тепловое реле настраивается на номинальный ток двигателя с разбросом 10 процентов. Индикаторы положения открыто-закрыто и сигнализация аварии выводятся на лицевую панель блока управления.

Интеллектуальные блоки управления КИМ1, КИМ2, КИМ3 российского производства включают встроенный позиционер или ПИД-регулятор, частотное регулирование скорости с безударным пуском и коммуникационные протоколы Modbus RTU, Profibus DP, Foundation Fieldbus, HART для интеграции в распределенные системы управления.