Что такое управляющий клапан? Типы, рабочий принцип и руководство по отбору

Управляющий клапан — это автоматический клапан, используемый для регулирования условий процесса путём изменения размера потока жидкости. Он может управлять расходом, давлением, температурой, уровнем жидкости или другой переменной процесса в зависимости от сигнала, получаемого от контроллера.

В отличие от ручного изоляционного клапана, который обычно остаётся полностью открытым или полностью закрытым, управляющий клапан часто работает в промежуточных положениях. Клапан постоянно регулирует своё открытие, чтобы поддерживать необходимое состояние процесса.

Управляющие клапаны широко применяются в очистке воды, добыче нефти и газа, химической переработке, производстве электроэнергии, металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, пищевой промышленности, фармацевтическом производстве, системах HVAC и промышленных коммунальных сетях.

Полный комплект клапана обычно включает корпус клапана, внутреннюю отделку, привод, позиционер, стойку или вал, седло, убирку и аксессуары управления. Эти компоненты работают вместе для преобразования электрического, пневматического или цифрового сигнала управления в управляемое механическое движение клапанов.

Правильный выбор клапана управления требует большего, чем просто соответствующего номинальному размеру трубопровода. Инженеры должны оценить жидкость, минимальный и максимальный расход, падение давления, температуру, необходимый диапазон управления, риск кавитации, уровень шума, требования к утечке, тип привода и положение отказа.

Что делает управляющий клапан?

Клапан управления является последним элементом управления во многих промышленных контурах. Датчики измеряют фактическое состояние процесса, контроллер сравнивает измеренное значение с требуемой заданной точкой, а регуляторный клапан регулирует поток жидкости для уменьшения разницы.

Например, датчик температуры может обнаружить, что температура выхода теплообменника слишком низкая. Затем контроллер посылает сигнал на клапан управления паром, заставляя клапан расширяться и увеличивать поток пара.

Когда температура достигает нужной заданной точки, контроллер снижает сигнал, и клапан управления перемещается в более закрытое положение.

Основные функции управляющего клапана включают:

• Регулирование скорости потока жидкости или газа
• Поддержание давления вниз или вверх по течению
• Контроль уровня жидкости в резервуарах и сосудах
• Регулировка температуры процесса
• Смешивание или отклонение технологических потоков
• Управление паром, охлаждающей водой или нагревающей жидкостью
• Ограничение потока оборудования
• Поддержка автоматической работы процесса

Клапаны управления используются там, где требуется стабильное и повторяемое регулирование. Клапан может двигаться непрерывно, периодически или только при изменении переменной процесса.

Как работает управляющий клапан?

Принцип работы управляющего клапана основан на изменении эффективной площади потока внутри клапана. Привод вращает клапанную пробку, диск, шарик или другой элемент замыкания в соответствии с управляющим сигналом.

По мере открытия клапана доступная площадь потока увеличивается, и через клапан может проходить больше жидкости. По мере закрывания клапана площадь потока уменьшается, а расход уменьшается.

Типичный автоматический контур управления работает в следующей последовательности:

1. Измерение: датчик измеряет давление, температуру, поток или уровень жидкости.
2. Сравнение: контроллер сравнивает измеренное значение с требуемой заданной точкой.
3. Выходной сигнал: Контроллер посылает пневматический, электрический или цифровой сигнал.
4. Позиционирование: Позиционер клапана интерпретирует сигнал и управляет приводом.
5. Движение клапана: Привод движет штанж, вал или элемент замки.
6. Регулировка потока: Открытие клапана изменяет расход или давление.
7. Обратная связь: датчик измеряет новое состояние процесса, и цикл продолжается.

Управляющие клапаны могут принимать распространённые аналоговые сигналы, такие как 4–20 мА, 0–10 В или пневматические сигналы давления. Современные позиционеры управляющих клапанов также могут цифрово взаимодействовать с ПЛК, DCS или системами управления активами.

Основные компоненты управляющего клапана

Типы управляющих клапанов

Управляющие клапаны можно классифицировать по конструкции корпуса, движению замыслова, типу привода, направлению потока и функции управления.

Клапан управления глобусом

Глобусный клапан управления использует пробку, которая движется линейно к неподвижному креслу или от него. Это один из самых широко используемых типов управляющих клапанов, так как обеспечивает стабильное дроссельное управление и позволяет использовать различные конфигурации комплектации.

Глобусные управляющие клапаны обычно применяются к пару, воде, газу, топливу, химикатам и жидкостям. Внутренняя конструкция клетки или сиденья может быть адаптирована для высокого падения давления, контроля кавитации, шумоподавления или обслуживания с низким расходом потока.

Основным недостатком глобусного клапана управления является относительно высокая потеря давления по сравнению с роторным клапаном с полным портом.

Шариковый клапан управления

Шариковый управляющий клапан использует вращающийся шарик для регулирования потока. Стандартные шаровые клапаны с круглым портом в основном предназначены для изоляции, но характерные шаровые клапаны могут обеспечивать эффективное управление модуляцией.

V-портовые шаровые клапаны используют формное отверстие в шаре для создания более предсказуемой связи между положением клапана и расходом.

Шаровые клапаны обеспечивают высокую пропускную способность, компактную конструкцию и относительно низкие потери давления. Они широко применяются в воде, целлюлозе, суспензии, химических и общих промышленных применениях.

Клапан управления бабочкой

Клапан управления бабочкой регулирует поток, вращая круглый диск внутри трубопровода. Он компактный, лёгкий и экономичный для средних и больших трубопроводов.

Стандартные устойчивые заслонки с посадкой могут использоваться для умеренного троттлинга, а для более высокого давления, температуры или более требовательных условий процесса выбираются высококачественные и тройные смещения.

Клапаны управления бабочками широко распространены в очистке воды, охлаждающей воде, HVAC, воздухе, газе и крупных промышленных коммунальных трубопроводах.

Сегментированный шариковый управляющий клапан

Сегментированный шариковый управляющий клапан использует частичный шариковый сегмент с отверстием с формой потока. Он обеспечивает высокую пропускную способность, сильное сдвиговое действие и стабильное управление.

Конструкция управляющего клапана широко применяется для целлюлозного запаса, волокнистых жидкостей, шлама, шлама, а также технологических жидкостей, содержащих взвешенные твёрдые вещества.

Эксцентриковый клапан управления заглушкой

Эксцентриковый клапан управления пробкой использует смещённый вращающийся штекер. Пробка отходит от сиденья при открытии, уменьшая постоянное трение между герметичными поверхностями.

Эксцентричные клапаны управления пробками обычно выбираются для сточных вод, осадка, шлам и других жидкостей, содержащих взвешенные твердые вещества.

Клапан управления диафрагмой

Клапан управления диафрагмой использует гибкую диафрагму для регулирования потока. Диафрагма отделяет рабочие компоненты от среды процесса.

Клапаны управления диафрагмой подходят для коррозийных химикатов, высокочистых жидкостей, фармацевтических систем и применения в дозировании химикатов.

Клапан управления иглой

Клапан управления иглой использует тонкую сужающуюся иглу, которая движется внутри небольшого отверстия сиденья. Он обеспечивает точную корректировку при низкой скорости расхода.

Игольчатые управляющие клапаны широко применяются в приборах, системах отбора проб, гидравлических цепях и газовых системах.

Трёхклапанный управляющий клапан

Трёхсторонний управляющий клапан имеет три подключения потока и может смешивать два входных потока или направлять один из входных потоков между двумя выходами.

Трёхнаправленные управляющие клапаны широко применяются в системах нагрева, охлаждения, теплообменника и технологической температуры.

Линейные и вращающиеся клапаны управления

Типы приводов клапанов управления

Пневматический клапан управления

Пневматический управляющий клапан использует сжатый воздух для движения диафрагмы или поршневого привода. Пневматические приводы обеспечивают быструю работу, простое аварийное действие и надёжную промышленную производительность.

Пружинно-возвратный пневматический привод может переместить управляющий клапан в заранее определённое безопасное положение после потери давления воздуха. В зависимости от процесса клапан может быть настроен так, чтобы он отказался от открытия или закрылся.

Пневматические управляющие клапаны обычно используют электропневматический позиционер, который преобразует сигнал мощностью 4–20 мА в управляемое движение привода.

Электрический управляющий клапан

Электрический управляющий клапан использует электромотор и редуктор для позиционирования клапана. Электрические приводы подходят там, где есть электрическая энергия, но сжатый воздух — нет.

Электрические приводы клапанов управления могут обеспечивать модуляцию, защиту от крутящего момента, ручное переключение, локальное указание положения и удалённую обратную связь.

Они широко применяются в очистке воды, HVAC, строительных услугах, орошении и удалённых коммунальных системах.

Гидравлический управляющий клапан

Гидравлический привод использует под давлением гидравлическую жидкость для создания высокой силы или крутящего момента. Гидравлические управляющие клапаны применяются в крупных трубопроводах, турбинных системах, выходах плотин и сложных случаях остановки.

Самоуправляемый клапан управления

Самоуправляемый клапан использует процессное давление, температуру или силу жидкости вместо внешнего сигнала управления.

Распространённые примеры включают прямодействующие редукционные клапаны, регуляторы давления, температурные регуляторы и клапаны уровня бака.

Характеристики потока клапана управления

Характеристика управляющего клапана описывает взаимосвязь между ходом клапана и пропускной способностью при определённых условиях.

Линейная характеристика

Линейный управляющий клапан обеспечивает примерно равные изменения пропускной способности при равных изменениях хода клапанов. Эта характеристика может быть подходящей, когда перепад давления через клапан остаётся относительно стабильным.

Характеристика равного процента

Регулирующий клапан с равным процентом обеспечивает постепенное увеличение пропускной способности по мере открытия клапана.

Эта характеристика широко используется в технологических системах, где падение давления через управляющий клапан значительно меняется с течением.

Характеристика быстрого открытия

Быстрооткрывающийся клапан обеспечивает значительное увеличение пропускной способности в начальном этапе хода. Он больше подходит для работы с включением и выключением, чем для точного непрерывного регулирования.

Размер клапанов управления

Размер регулирующего клапана определяет пропускную способность клапана, необходимую для реальных условий процесса. Клапан управления не должен автоматически иметь номинальный размер с трубопроводом.

Управляющий клапан должен обеспечивать достаточную ёмкость при максимальном расходе, при этом сохраняя полезный ход клапана и стабильный контроль при минимальном расходе.

Важная информация о размере клапанов управления включает:

• Технологическая жидкость
• Жидкое, газовое или паровое состояние
• Минимальный, нормальный и максимальный расход
• Давление в верхнем потоке
• Давление вниз по течению
• Доступное падение давления
• Рабочая температура
• Плотность жидкости или удельная масса
• Вязкость
• Давление пара
• Критическое давление для газов
• Требуемый диапазон управления
• Допустимый шум и скорость

В нормальных условиях увеличенный управляющий клапан может работать рядом со своим седлом. Небольшие изменения положения могут привести к значительным изменениям потока, что приводит к нестабильному управлению, чрезмерному износу и частому движению привода.

Небольшой управляющий клапан может оставаться почти полностью открытым и не обеспечивать необходимого максимального потока. Это также может привести к повышенной скорости, потере шума и давления.

Дальность расположения клапанов управления

Диапазонность клапанов управления описывает отношение между максимальной и минимальной регулируемой скоростью расхода при заданных условиях.

Высокая дальность полезна в системах, где требуемый поток сильно колеблется между низкой и высокой нагрузкой.

Фактическая установленная дальность зависит не только от конструкции клапана управления, но и от давления, доступного в клапане на протяжении всего рабочего диапазона.

Кавитация, мигание и шум

Кавитация

Кавитация может возникать, когда давление жидкости падает ниже давления пара внутри управляющего клапана, а затем восстанавливается ниже по потоку.

Паровые пузырьки образуются в области низкого давления и схлопываются, когда давление восстанавливается. Такое обрушение может привести к шуму, вибрациям и серьёзным повреждениям триммера и корпуса клапана управления.

Конструкции клапанов, устойчивых к кавитации, могут использовать многоступенчатую отделку, закалённые материалы, специальные клетки или поэтапное снижение давления.

Мигание

Мигание происходит, когда давление падает ниже давления жидкого пара и остаётся ниже него ниже по течению. Паровые пузырьки не сжимаются внутри клапана.

Прошивка может привести к высокой скорости выхода и эрозии. Выбор материала и геометрия выхода играют важную роль в обслуживании прошивки.

Аэродинамический шум

Клапаны управления газом и паром высокого давления могут создавать значительный шум из-за высокой скорости, турбулентности и снижения давления.

Триминг клапанов управления шумоподавлением может делить падение давления на несколько ступеней или использовать множество небольших потоковых каналов для снижения скорости и акустической энергии.

Положения клапанов управления при отказе

Требуемое положение при отказе клапана определяется требованиями к безопасности процесса и эксплуатации.

Fail Closed

Клапан управления при неисправном закрытии переходит в закрытое положение после потери воздуха, питания или сигнала управления.

Эта конфигурация может быть выбрана для топлива, подачи химикатов или отопления, где продолжающийся поток может создать опасное положение.

Fail Open

Клапан управления при неисправном открытии переходит в открытое положение после потери рабочей энергии.

Такое устройство может быть выбрано для охлаждающей воды, аварийного вентиляции или других услуг, где требуется непрерывный поток для защиты оборудования.

Неудача на месте

Клапан управления, который выходит из строя, остаётся близко к последнему положению после потери рабочей энергии. Для этой функции может потребоваться двойной актуатор, блокировочный клапан или гидравлическая система.

Самое безопасное положение при отказе должно определяться на основе оценки процесса и опасности, а не только предпочтения клапанов.

Материалы клапанов управления

Отделка клапанов управления может использовать закалённую нержавеющую сталь, сплавные покрытия, керамику или другие износостойкие материалы для эрозии, кавитации и сильного падения давления.

Применение клапанов управления

Очистка воды

Регулирующие клапаны регулируют поток на входе установки, поток фильтра, уровень резервуара, давление выброса насоса и дозирование химикатов. Обычно используются клапаны управления типа «бабочка», глобус, диафрагма и управляемые пилотом.

Нефть и газ

Клапаны контроля нефти и газа регулируют поток добычи, давление сепаратора, давление газа, поток топлива, работу компрессора и уровень жидкости.

Для сильного падения давления, мигания, кавитации, эрозии и аэродинамического шума может потребоваться сильное обслуживание.

Производство электроэнергии

Электростанции используют управляющие клапаны для питательной воды котла, пара, конденсата, охлаждающей воды, топлива и систем поддержки турбин.

Для обслуживания при высоких температурах и высоком давлении может потребоваться кованые кузова, удлинённые капоты, металлические сиденья и многоступенчатая отделка.

Химическая переработка

Химические заводы используют регулирующие клапаны для регулирования подачи реактора, давления, температуры, дозировки химикатов и коррозийных технологических жидкостей.

Управляющие клапаны из нержавеющей стали, высокосплавной и фторполимерной облицовки могут быть выбраны в соответствии с химической совместимостью.

Питание и напитки

Клапаны управления пищевой переработкой регулируют температуру воды, пара, продукта, чистящего раствора и процесса.

Гигиенические диафрагмы, бабочки, сиденьевые и шариковые клапаны используются там, где важна чистота и безопасность продукции.

Целлюлозно-бумажная промышленность

Целлюлозно-бумажные заводы используют сегментированные клапаны управления «шариками», «бабочками», шарами и эксцентрическими пробками для целлюлозы, воды, пара, химикатов и сточных вод.

Металлургия и горное дело

Металлургические предприятия используют управляющие клапаны для охлаждения воды, суспензия, технологического газа, сжатого воздуха, пара и химических систем.

Применение абразивной суспензии может потребовать сегментированных шаровых, щипных или специализированных клапанов управления суспензией.

Как выбрать управляющий клапан

Правильный выбор клапана управления начинается с полных данных о процессе. Выбор только по размеру трубопровода, классу давления или материалу кузова может привести к нестабильному контролю и короткому сроку службы.

Важные факторы отбора включают:

• Требуемая функция управления
• Жидкость, газ, пар или суспензия
• Состав жидкости и коррозийность
• Концентрация твёрдых тел и размер частиц
• Минимальный, нормальный и максимальный расход
• Давление вверх и вниз по течению
• Максимальное перепадение давления
• Минимальная и максимальная температура
• Требуемая характеристика потока
• Требуемая дальность
• Допустимые потери давления
• Кавитация, мигание и риск шума
• Требуемые характеристики утечки
• Корпус клапана и отделка
• Сиденье, герметизация и упаковочные материалы
• Пневматический, электрический или гидравлический привод
• Неудачное открытие, неудачное закрытие или отказ на месте
• Требуемый управляющий сигнал
• В помещении, на улице или в опасной среде
• Применимые требования к проектам и отрасли

Для резкого снижения давления и точного регулирования троттлинга может быть предпочтительнее глобусный клапан управления. Клапан управления бабочкой может стать более экономичным решением для большого водопровода.

Сегментированный шариковый управляющий клапан может быть более подходящим для волокон, суспензии или жидкостей, содержащих взвешенные твёрдые вещества. Для коррозийных или высокочистых применений может быть выбран клапан управления диафрагмой.

Наши варианты клапанов управления

Наши решения с клапанами управления могут быть настроены для применения в воде, паре, газе, нефти, химикате, шламе и общих промышленных процессах.

Установка клапанов управления

Правильная установка необходима для стабильной работы управляющего клапана. Клапан должен устанавливаться в соответствии с указанным направлением потока и инструкциями производителя.

Важные аспекты установки клапанов управления:

• Подтверждение размера клапана и номинала давления
• Следуя отмеченному направлению потока
• Очистка трубопровода перед установкой
• Проверка выравнивания фланцев и трубопроводов
• Обеспечение достаточного количества трубопроводов вверх и вниз по течению
• Поддержка тяжёлых приводов независимо при необходимости
• Обеспечение достаточного допуска к техническому обслуживанию
• Установка фильтров или регуляторов в пневматических линиях подачи
• Защита электрических соединений от влаги
• Подключение правильного управляющего сигнала
• Калибровка позиционера и пределов хода
• Завершение утечки и функциональных испытаний

Обходная линия может быть установлена вокруг критического управляющего клапана, где требуется непрерывная работа процесса во время обслуживания клапанов.

Управляющие клапаны должны быть расположены вдали от сильных вибраций, где это возможно. Чрезмерное напряжение трубопровода не должно передаваться на корпус управляющего клапана.

Обслуживание клапанов управления

Клапаны управления работают часто и подвергаются падению давления, скорости, вибрации и технологическим загрязнениям. Регулярное обслуживание помогает обеспечить точное позиционирование и надёжное отключение.

Программа обслуживания управляющих клапанов может включать:

• Проверка кузова и соединений на наличие утечки
• Проверка уплотнения выносов и уплотнений вала
• Мониторинг хода клапана и обратной связи положения
• Калибровка позиционера клапана управления
• Проверка пневматического давления и качества воздуха
• Проверка электропроводки и уплотнений корпуса
• Тестирование действия неудачного открытия или неудачного закрытия
• Проверка вилки, сиденья, клетки, мяча или диска
• Проверка на кавитацию или повреждения от эрозии
• Очистка внутренних проходов и пилотных труб
• Замена изношенной упаковки и уплотнений
• Запись истории инспекции и калибровки

Проблемы с клапанами управления следует исследовать вместе с условиями процесса. Замена повреждённой отделки без устранения чрезмерного падения давления, кавитации или переразмера клапана может привести к повторным отказам.

Распространённые проблемы с клапанами управления

Охота за клапанами

Охота происходит, когда управляющий клапан неоднократно вращается в нужном положении. Причинами могут быть плохая настройка контроллера, переразмер клапанов, проблемы с позиционером или чрезмерное механическое трение.

Стикшн

Стикция — это сопротивление, которое препятствует плавному движению стержня или вала. Это может быть вызвано плотным уплотнением, коррозией, отложениями или повреждёнными направляющими.

Чрезмерный шум

Чрезмерный шум клапанов управления может быть вызван кавитацией, миганием, высокой скоростью газа, турбулентностью, увеличением размера клапана или повреждённой тримницей.

Внутренняя утечка

Внутренние протечки могут быть вызваны эрозией сиденья, задержанным мусором, повреждённой отделкой, неправильной регулировкой привода или недостаточной силой сжимания.

Медленная реакция

Медленное движение клапана может быть вызвано ограниченной пневматической трубкой, недостаточным давлением воздуха, небольшим размером соленоидного клапана, проблемами привода или чрезмерным трением.

Часто задаваемые вопросы

Что такое управляющий клапан?

Управляющий клапан — это автоматически управляемый клапан, который изменяет своё отверстие для регулирования потока, давления, температуры, уровня жидкости или другой переменной процесса.

Как работает управляющий клапан?

Контроллер посылает сигнал на привод или позиционер, который перемещает элемент клапана управления и изменяет доступную площадь потока.

Какие основные типы управляющих клапанов?

Распространённые типы включают глобус, шарик, бабочку, сегментированный шар, эксцентриковые пробки, диафрагмы, иглы и трёхпозиционные управляющие клапаны.

Что такое пневматический управляющий клапан?

Это управляющий клапан, управляемый сжатым воздухом через диафрагмический или поршневой актуатор.

Что такое электрический управляющий клапан?

Это управляющий клапан, расположенный электромотором и редуктором в соответствии с электрическим сигналом управления.

Что такое позиционер управляющего клапана?

Позиционер сравнивает командный сигнал с фактическим положением клапана и регулирует актуатор до достижения нужного положения клапана.

Почему важен размер клапанов управления?

Правильный размер позволяет клапану управлять максимальным расходом, сохраняя при этом стабильный и точный контроль при низких условиях работы.

Может ли управляющий клапан быть меньше трубопровода?

Да. Управляющие клапаны часто бывают меньше трубопровода, когда расчёты процесса показывают, что меньший клапан обеспечивает необходимую пропускную способность потока и управляющую эффективность.

Что такое кавитация управляющего клапана?

Кавитация возникает, когда в области низкого давления образуются пузырьки пара, которые обрушиваются после восстановления давления, потенциально повреждая трим управляющего клапана.

Что значит «неудача закрыта»?

Fail closed означает, что клапан управления переходит в закрытое положение после потери воздуха, питания или сигнала управления.

Что значит «провалить открытие»?

Fail open означает, что клапан управления переходит в открытое положение после потери рабочей энергии.

Как следует выбирать управляющий клапан?

Выбор клапана управления должен учитывать жидкость, расход, падение давления, температуру, необходимую характеристику, риск кавитации, материалы, привод, сигнал и положение отказа.

Заключение

Управляющий клапан — это автоматический конечный элемент управления, используемый для регулирования потока, давления, температуры, уровня жидкости и других условий процесса.

Контроллер посылает сигнал на привод клапана управления или позиционер. Затем привод перемещает пробку, шарик, диск или другой элемент замыкания, чтобы изменить доступную площадь потока.

Глобусные регуляторные клапаны обеспечивают стабильную дроссельную задержку и гибкие варианты комплектации. Шариковые и сегментированные шариковые управляющие клапаны обеспечивают высокую пропускную способность, тогда как клапаны управления бабочкой обеспечивают компактное и экономичное управление в крупных трубопроводах.

Пневматические управляющие клапаны обеспечивают быструю работу и простое аварийное действие. Электрические клапаны управления полезны там, где нет сжатого воздуха, а гидравлические приводы обеспечивают высокую рабочую силу.

Правильный размер клапана управления крайне важен. Слишком большой клапан может привести к нестабильному контролю и чрезмерному износу, тогда как небольшой клапан может не обеспечивать необходимого максимального расхода.

Окончательный выбор клапана управления должен учитывать технологическую жидкость, падение давления, температуру, диапазон расхода, кавитацию, шум, материал кузова, материал обшивки, тип привода, сигнал управления и требуемую позицию отказа.

При правильном выборе, размере, установке и обслуживании управляющего клапана обеспечивает точное регулирование процесса, стабильную работу установки, снижение энергопотребления и надёжную защиту оборудования.