Регулирующая арматура: клапаны и приводы

Регулирующая арматура — клапаны и приводы — это исполнительная часть контура автоматического регулирования: клапан изменяет площадь проходного сечения и дросселирует поток, а привод перемещает его рабочий орган по сигналу регулятора. От правильного подбора регулирующего клапана по пропускной способности и расходной характеристике, а привода — по усилию и быстродействию, напрямую зависит точность поддержания технологического параметра: расхода, давления, температуры или уровня.

Ниже разобраны типы регулирующих клапанов (седельные и поворотные), пропускная способность Kv и расходные характеристики, расчёт и подбор клапана, электрические и пневматические приводы, функция позиционера, классы герметичности затвора и практические правила выбора. Числовые параметры и обозначения приведены по действующим стандартам на трубопроводную арматуру.

Назначение и принцип действия регулирующей арматуры

Регулирующая арматура — это арматура, предназначенная для управления расходом, давлением или уровнем рабочей среды путём изменения площади проходного сечения. В отличие от запорной арматуры, которая работает в двух положениях «открыто/закрыто», регулирующий клапан большую часть времени находится в промежуточном положении и точно дозирует поток. Управление происходит за счёт перемещения регулирующего элемента (плунжера, золотника, сегмента, диска) относительно седла.

В составе контура регулирования клапан — это исполнительное устройство. Регулятор сравнивает измеренное значение параметра с заданием и формирует управляющий сигнал; привод преобразует этот сигнал в перемещение штока, а клапан изменяет дросселирование потока. Избыток располагаемого напора срабатывается на клапане в виде перепада давления, поэтому регулирующий клапан всегда вносит в систему гидравлическое сопротивление — это рабочий принцип, а не паразитный эффект.

Регулирующий клапан подбирают не по диаметру трубопровода, а по требуемой пропускной способности Kv при располагаемом перепаде давления.

Типы регулирующих клапанов

По направлению перемещения регулирующего элемента клапаны делят на две большие группы — с поступательным движением штока (седельные) и с поворотным движением (поворотные). Выбор между ними определяется требуемой точностью регулирования, пропускной способностью, перепадом давления и герметичностью.

Седельные клапаны

Седельный (проходной) клапан — наиболее распространённый тип регулирующей арматуры. Шток с плунжером движется поступательно, изменяя зазор между плунжером и седлом. Различают конструкции:

• Односедельные — один затвор; обеспечивают высокую герметичность, но усилие от перепада давления полностью передаётся на привод.
• Двухседельные — два затвора частично уравновешивают гидравлические усилия, что снижает требуемое усилие привода, но герметичность ниже из-за разных температурных деформаций двух пар уплотнений.
• Клеточные — поток дросселируется через окна клетки (втулки), что повышает устойчивость к вибрации и шуму и упрощает разгрузку плунжера по давлению.

Седельные клапаны дают точное регулирование, широкий выбор расходных характеристик и высокие классы герметичности затвора; их применяют там, где важна точность при значительных перепадах давления.

Поворотные клапаны

В поворотных конструкциях регулирующий элемент поворачивается вокруг оси. К ним относят шаровые сегментные клапаны (поворотный сегмент шара с профилированной кромкой) и поворотно-дисковые затворы. Они отличаются большой пропускной способностью при компактном корпусе и малой строительной длине, а характеристика сегментного шара близка к равнопроцентной. Поворотную арматуру выбирают для больших расходов и сред с включениями, где седельная конструкция избыточна по стоимости и габаритам.

Пропускная способность Kv и расходные характеристики

Пропускная способность Kv — основной параметр регулирующего клапана. По ГОСТ 12893-2005 это значение, равное расходу жидкости плотностью 1000 кг/м³ (воды), протекающей через клапан при перепаде давления на нём 0,1 МПа (1 бар), м³/ч. Величина при условном (полном) ходе обозначается Kvy (в каталогах часто Kvs) и является паспортной; при частичном открытии текущее значение Kv меньше.

Расходная характеристика

Расходная (пропускная) характеристика — это зависимость относительной пропускной способности от хода штока. Стандарт выделяет три вида:

Диапазон регулирования Д — отношение условной пропускной способности Kvy к минимальной Kvmin, при которой характеристика ещё сохраняется в допускаемых пределах. По ГОСТ 12893-2005 он составляет не менее 7 для линейной и не менее 16 для равнопроцентной характеристики.

Связь Kv и Cv

В метрической системе пропускную способность выражают коэффициентом Kv (м³/ч при перепаде 1 бар), в дюймовой — коэффициентом Cv (расход в галлонах в минуту при перепаде 1 psi). Это один и тот же физический параметр в разных единицах; для пересчёта применяют приближённое соотношение:

Типовой ряд Kvs

Регулирующие клапаны выпускают со значениями Kvs, возрастающими по геометрической прогрессии (ряд R10): 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100 и т. д. При подборе расчётное значение округляют до ближайшего большего из ряда.

Расчёт и подбор клапана по пропускной способности

Подбор начинается с расчёта требуемого Kv по максимальному расходу и располагаемому перепаду давления на клапане. Для воды формула упрощается, поскольку плотность равна 1000 кг/м³:

1. Исходные данные. Максимальный расход, плотность и температура среды, располагаемый перепад давления на клапане.
2. Расчёт Kv. Вычисляют требуемую пропускную способность по формуле.
3. Запас. Расчётный Kv умножают на коэффициент запаса (обычно 1,2–1,3), получая требуемый Kvs.
4. Выбор по ряду. Берут ближайшее большее стандартное значение Kvs из каталога.
5. Проверки. Контролируют рабочий ход (рекомендуется 20–80 % хода), диапазон регулирования и отсутствие кавитации/недопустимого шума.

Завышение Kvs смещает рабочую точку к началу хода, где характеристика искажена и регулирование грубое. Заниженный Kvs не даст вывести систему на максимальный расход. Поэтому клапан, как правило, имеет меньший условный проход, чем трубопровод.

Приводы регулирующих клапанов: электрические и пневматические

Привод (исполнительный механизм) перемещает рабочий орган клапана по сигналу регулятора и удерживает его в заданном положении против гидравлических усилий. По типу энергоносителя приводы делят на пневматические и электрические; по направлению движения — на прямоходные (для седельных клапанов) и поворотные (для поворотных).

Унифицированный электрический сигнал 4…20 мА преобразуется в пневматический сигнал 20…100 кПа электропневмопреобразователем (ЭПП), когда применяют пневмопривод в электронном контуре. Важная характеристика пневмопривода — принцип безопасного положения: нормально закрытый (НЗ) клапан при потере воздуха закрывается пружиной, нормально открытый (НО) — открывается; выбор определяется требованиями безопасности технологического процесса.

Позиционер регулирующего клапана

Позиционер — это устройство позиционирования, которое принимает управляющий сигнал (обычно 4…20 мА) и сравнивает его с фактическим положением штока клапана, после чего корректирует подачу энергоносителя на привод. Образуется внутренний контур обратной связи по положению, который компенсирует трение в сальнике, нелинейности преобразования сигнала и влияние перепада давления.

Применение позиционера повышает точность и повторяемость регулирования, ускоряет отработку задания и позволяет линеаризовать или преднамеренно изменить расходную характеристику. Цифровые (интеллектуальные) позиционеры дополнительно выполняют автонастройку, самодиагностику и передачу данных в систему управления. Позиционер особенно нужен в контурах с высокими требованиями к точности, при больших перепадах давления и в быстро меняющихся процессах.

Герметичность затвора регулирующих клапанов

Герметичность затвора показывает, какая протечка допускается через закрытый клапан. Для регулирующей арматуры нормы и классы герметичности устанавливает ГОСТ 9544-2015; они согласованы с международным стандартом IEC 60534-4. Класс задаётся в конструкторской документации вместе с испытательной средой и давлением испытаний.

Конкретные значения допустимой протечки нормируются таблицами ГОСТ 9544-2015 в зависимости от Kvy, испытательной среды (вода или воздух), перепада и абсолютного давления и диаметра седла. Класс герметичности выбирают по назначению клапана: для чисто регулирующих функций достаточно средних классов, для совмещённой запорно-регулирующей функции назначают высокие классы или нормы как для запорной арматуры.

Выбор регулирующей арматуры под задачу

Выбор регулирующего клапана и привода ведут совместно: гидравлика определяет Kv и характеристику, а условия процесса — конструкцию, материал, привод и класс герметичности. Базовый порядок:

1. Гидравлический расчёт. Определяют требуемый Kv и подбирают Kvs с запасом; проверяют рабочий ход и кавитацию.
2. Расходная характеристика. Линейную выбирают при стабильном перепаде и высоком авторитете клапана, равнопроцентную — при переменном перепаде и низком авторитете.
3. Конструкция и материалы. Седельная или поворотная; материал корпуса и уплотнений по среде, температуре и PN.
4. Привод. По усилию (перепад давления и площадь затвора), быстродействию и безопасному положению (НЗ/НО).
5. Позиционер и герметичность. Позиционер — при высоких требованиях к точности; класс герметичности — по назначению.

Авторитет клапана

Авторитет клапана — это доля перепада давления, приходящаяся на полностью открытый клапан, от перепада на регулируемом участке. Чем он ниже, тем сильнее реальная характеристика искажается относительно паспортной и тем хуже регулируемость. В инженерной практике стремятся, чтобы на клапан приходилась заметная часть располагаемого напора; при низком авторитете предпочтительна равнопроцентная характеристика, частично компенсирующая искажение.

Типичные ошибки

• подбор клапана по диаметру трубопровода вместо расчёта по Kv;
• чрезмерный запас Kvs, выводящий рабочую точку в начало хода;
• игнорирование располагаемого перепада и проверки на кавитацию;
• неверный выбор расходной характеристики для конкретного контура;
• привод без запаса усилия для закрытия при максимальном перепаде давления.

Вопросы и ответы