Что такое электрический регулирующий клапан?

Электроуправляемый клапан — это автоматизированный клапан, в котором электрический привод регулирует степень открытия клапана в соответствии с управляющим сигналом. Изменяя площадь проходного сечения внутри клапана, он позволяет регулировать расход жидкости, газа или пара и способствует поддержанию таких технологических параметров, как давление, температура, расход или уровень в резервуаре.

В отличие от простого клапана «вкл./выкл.» с электрическим приводом, электropneumaticный регулирующий клапан, как правило, рассчитан на перемещение в промежуточные положения. Контроллер может задавать клапану положение 20%, 45%, 70% или другое в зависимости от разницы между фактическим состоянием технологического процесса и требуемым заданным значением.

Электроуправляемые клапаны всё чаще применяются в системах водоочистки, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), энергетических системах, промышленных инженерных сетях, химической промышленности, пищевой промышленности и на удалённых насосных станциях. Они особенно привлекательны в тех случаях, когда имеется доступ к электроэнергии, но отсутствует общезаводская система сжатого воздуха.

В данном руководстве объясняются принцип действия электроприводного регулирующего клапана, рассмотрены распространенные типы клапанов, функции электропривода, управляющие сигналы, выбор размеров, области применения, монтаж, требования к закупке, а также приведена основная информация, с которой инженерам следует ознакомиться перед выбором регулирующего клапана с электроприводом.

Как работает электрический регулирующий клапан?

Основной принцип работы заключается в измерении параметров технологического процесса. Датчик отслеживает такую величину, как расход воды, давление в трубопроводе, температура в помещении, уровень жидкости в резервуаре или температура пара, и передает измеренное значение на контроллер.

Контроллер сравнивает измеренное значение с заданным значением. Если значение технологической величины слишком высокое или слишком низкое, он посылает команду на электropneumatic control valve. К распространенным аналоговым командам относятся сигналы 4–20 мА и 0–10 В, хотя в некоторых промышленных системах используется цифровая связь.

Электрический привод принимает этот сигнал и включает питание двигателя. Редуктор преобразует относительно высокую скорость вращения двигателя в движение с более низкой скоростью и большим крутящим моментом, необходимое для управления клапаном.

В электрическом регулирующем клапане с поворотом на четверть оборота привод вращает вал клапана и перемещает шарик или дисковую заслонку. В линейном электрическом шаровом клапане привод перемещает шток клапана и заглушку вверх или вниз.

Датчик положения, встроенный в привод, непрерывно измеряет фактическое положение клапана. Привод сравнивает эти данные с заданным сигналом управления и останавливается при достижении требуемого положения.

Контроллер процесса продолжает отслеживать состояние системы и регулирует клапан при любом изменении условий эксплуатации. Таким образом создается замкнутый контур регулирования, позволяющий поддерживать относительно стабильный расход, давление, температуру или уровень.

Основные компоненты электрического регулирующего клапана

Рабочие характеристики электрического регулирующего клапана зависят как от самого клапана, так и от привода. Если рассматривать привод как простое вспомогательное устройство, это может привести к неправильному подбору размера или ухудшению характеристик регулирования.

Компонент	Функция	Критерии отбора
Корпус клапана	Содержит технологическую жидкость и служит основным проходным каналом.	Конструкция и материал корпуса должны соответствовать давлению, температуре и рабочей среде.
Замыкающий элемент	Шарик, диск или заглушка изменяют доступное сечение потока.	Геометрия влияет на характеристики управления и способность к отключению.
Электродвигатель	Является основной движущей силой.	Напряжение, коэффициент заполнения и теплоемкость должны соответствовать условиям эксплуатации.
Коробка передач	Снижает частоту вращения двигателя и увеличивает выходной крутящий момент или тягу.	Конструкция зубчатой передачи влияет на скорость, люфт и срок службы.
Датчик положения	Измеряет фактическое положение клапана.	Необходимо для обеспечения точной работы в режиме модуляции.
Модуль управления	Осуществляет обработку входных сигналов и управляет движением привода.	Должно соответствовать требованиям к сигналам установки и к системам связи.
Защита от перегрузки по крутящему моменту или тяге	Останавливает двигатель в случае превышения допустимой механической нагрузки.	Защищает клапан и привод от засорения или перегрузки.
Ручное управление	Обеспечивает возможность управления клапаном в автономном режиме при отсутствии электропитания.	Обычно поставляется в виде маховика.
Обратная связь по положению	Передаёт информацию о фактическом положении клапана в систему управления.	Может использовать аналоговые или цифровые сигналы.

Электрический регулирующий клапан и электрический запорно-размыкающий клапан

Электрический запорный клапан и электрический регулирующий клапан могут иметь схожие корпуса и приводы, но выполняют разные функции.

Клапан типа «открыт-закрыт» обычно получает только команды на открытие или закрытие. После подачи питания привод перемещается до достижения предельного положения полного открытия или полного закрытия. Сферы применения включают изоляцию резервуаров, переключение трубопроводов и управление последовательностью работы оборудования.

Модулирующий электрический регулирующий клапан может останавливаться в промежуточных положениях. Он получает пропорциональный сигнал от контроллера технологического процесса и плавно регулирует степень открытия клапана в зависимости от изменения условий.

Это различие влияет на электронику привода, коэффициент заполнения, систему определения положения и размеры клапана. Клапан, который работает два раза в день в качестве отсечного клапана, предъявляет совершенно иные требования к приводу, чем регулирующий клапан, который каждые несколько секунд выполняет небольшие корректировки положения.

Распространенные типы электрических регулирующих клапанов

Электрический шаровой регулирующий клапан

Электрический шаровой регулирующий клапан представляет собой сочетание электрического привода с поворотом на четверть оборота и шарового клапана. Стандартные шаровые клапаны имеют круглое отверстие в шарике, тогда как в регулирующих моделях может использоваться V-образное отверстие или отверстие с заданными характеристиками.

Шаровые краны с V-образным проходом особенно удобны для регулирования расхода, поскольку их специальная форма прохода обеспечивает более плавное изменение площади проходного сечения при вращении шара. Благодаря этому система регулирования получает больше полезного хода, чем в случае использования обычного шарового крана с полным проходом, предназначенного исключительно для отсечки.

Электрические шаровые запорные клапаны широко используются для воды, химических веществ, теплоносителей и хладагентов, сжатого воздуха, а также некоторых технологических жидкостей. Они отличаются компактностью и высокой эффективностью перекрытия.

Правильный подбор размера клапана имеет большое значение, поскольку шаровой регулирующий клапан слишком большого размера может обеспечивать нормальный расход даже при очень небольшом открытии. Это сокращает полезный ход привода и может затруднить стабилизацию контура регулирования.

Электрический регулирующий клапан «Бабочка»

В электрическом дроссельном клапане «бабочка» используется электрический привод с поворотом на четверть оборота, который вращает круглый диск внутри трубопровода. Изменение угла поворота диска приводит к изменению площади проходного сечения.

Поворотные клапаны привлекательны для использования в трубопроводах большого диаметра, поскольку они компактны, относительно легки и экономичны по сравнению со многими крупногабаритными шаровыми клапанами. Они широко применяются в системах охлаждающей воды, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), системах водоподготовки, вентиляции и промышленных инженерных сетях.

Для обеспечения регулирующей функции привод должен обеспечивать точное промежуточное позиционирование и достаточный крутящий момент, чтобы преодолеть трение в седле и гидродинамический крутящий момент. Кроме того, клапан должен быть рассчитан таким образом, чтобы в нормальном режиме работы он не находился постоянно в положении, близком к полностью закрытому.

Для условий эксплуатации с повышенным давлением и температурой можно выбрать высокопроизводительные дроссельные клапаны с двойным смещением. Диск, седло и привод необходимо оценивать как единый узел регулирования.

Электрический регулирующий клапан «Глоуб»

В электрическом шаровом регулирующем клапане используется линейный электропривод, который перемещает заслонку в сторону неподвижного седла или от него. Профиль заслонки и размер отверстия седла определяют, как изменяется пропускная способность в зависимости от хода штока.

Поворотные клапаны обычно выбирают в тех случаях, когда стабильное дросселирование, высокий перепад давления или точное регулирование технологического процесса имеют большее значение, чем минимальные потери давления.

Электрические шаровые краны могут регулировать подачу горячей воды, охлажденной воды, термомасла, пара и технологических жидкостей. Различные внутренние узлы могут обеспечивать линейную, равнопроцентную или иную характеристику расхода.

В отличие от привода с поворотом на четверть оборота, характеристики которого определяются в основном крутящим моментом, линейный привод для шарового клапана должен обеспечивать достаточную тягу. Дифференциальное давление в технологическом контуре, трение в сальнике и требуемое усилие закрытия — все эти факторы влияют на выбор размера привода.

Какие управляющие сигналы используют электрические регулирующие клапаны?

Управляющий сигнал указывает приводу необходимое положение клапана. Правильный сигнал должен соответствовать ПЛК, СКП, системе управления зданием или автономному контроллеру объекта.

Управление 4–20 мА

Электрический регулирующий клапан с диапазоном 4–20 мА получает аналоговый токовый сигнал. В типичной конфигурации 4 мА соответствует одному краю откалиброванного хода, а 20 мА — противоположному краю.

Промежуточные значения тока соответствуют промежуточным положениям клапана. Например, система управления может подать команду на частичное открытие, когда потребность технологического процесса находится в диапазоне между минимальным и максимальным значениями.

Токовые сигналы широко используются в промышленном управлении, поскольку они могут передаваться по кабелям на относительно большие расстояния и позволяют легче обнаруживать определенные неисправности в проводке, чем простые сигналы напряжения.

Управление 0–10 В

Сигнал напряжением 0–10 В широко используется в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), системах автоматизации зданий и компактных системах управления технологическими процессами. Привод регулирует положение клапана в зависимости от подаваемого напряжения.

Покупателям следует уточнить, требуется ли для привода напряжение 0–10 В, 2–10 В или другой диапазон, поскольку контроллер и привод должны использовать одинаковую калибровку.

Цифровая коммуникация

Интеллектуальные электрические приводы могут осуществлять цифровую связь с системой управления установкой. В зависимости от выбранного привода посредством цифровой связи могут передаваться данные о положении клапана, крутящем моменте, сигналах тревоги, истории работы и диагностической информации.

Цифровую связь следует указывать только в том случае, если она соответствует архитектуре управления объекта. Протокол, инструменты настройки и ответственность за интеграцию должны быть определены до приобретения оборудования.

Характеристики расхода электромагнитного регулирующего клапана

Взаимосвязь между ходом привода и расходом жидкости называется расходной характеристикой клапана. Положение клапана 50% не обязательно означает, что расход в трубопроводе составляет 50% от максимального значения.

Линейная характеристика разработана таким образом, что одинаковые изменения хода клапана приводят к примерно одинаковым изменениям собственной пропускной способности. Это может быть полезно в тех случаях, когда давление в системе остается относительно стабильным.

Характеристика «равнопроцентная» обеспечивает меньшие изменения пропускной способности при малом ходе и постепенно увеличивающиеся изменения по мере открытия клапана. Она широко применяется в технологических системах, где давление, действующее на регулирующий клапан, изменяется в зависимости от расхода.

Фактическая характеристическая кривая в условиях эксплуатации также зависит от кривых насосов, сопротивления трубопроводов, теплообменников и других потерь в системе. Поэтому при подборе клапанов следует учитывать систему в целом, а не только собственные характеристики самого клапана.

Как правильно подобрать размер электромагнитного клапана

Правильный подбор размера имеет решающее значение для стабильной работы электромагнитного регулирующего клапана. Выбор клапана исключительно на основании совпадения его номинального размера с размером трубопровода может привести к установке клапана слишком большого размера.

Расчет размеров регулирующего клапана начинается с определения минимального, нормального и максимального расхода, а также давления перед клапаном, давления за клапаном и температуры технологического процесса.

При расчете трубопроводов для жидкостей также учитываются плотность, вязкость и давление паров, особенно в тех случаях, когда значительный перепад давления может привести к кавитации или испарению. При расчете трубопроводов для газа и пара необходимо учитывать сжимаемость, отношение давлений и возможность возникновения перетекания с сужением.

На основании этих условий рассчитывается требуемое значение Cv или Kv. Выбранный клапан должен обеспечивать требуемый нормальный расход в рабочем промежуточном положении, сохраняя при этом ход клапана как для увеличения, так и для уменьшения расхода.

Как правильно подобрать размер электропривода

Электрический привод должен обладать достаточной механической мощностью для приведения клапана в действие в самых неблагоприятных ожидаемых технологических условиях.

Размеры шаровых и дроссельных клапанов с поворотом на четверть оборота, как правило, определяются исходя из крутящего момента. Расчет может учитывать пусковой крутящий момент, рабочий крутящий момент, трение в седле и гидродинамический крутящий момент.

Линейные шаровые краны требуют не только вращающего момента, но и осевой силы. Привод должен преодолевать технологические силы, действующие на заслонку, трение сальника и необходимое усилие прижатия к седлу.

Привод следует выбирать на основании фактических данных о крутящем моменте или тяговом усилии клапана, предоставленных производителем клапана. Недостаточно определять размер привода, исходя только из номинального размера трубы.

Заказчикам следует запросить расчет размеров, в котором указаны требования к клапану, мощность привода и предусмотренный расчетный запас прочности.

Рабочий цикл электрического привода

Рабочий цикл определяет, с какой частотой привод может работать без перегрева и без превышения предельных значений, предусмотренных конструкцией.

Отсечной клапан, который открывается один раз в начале производственной смены и закрывается один раз в конце, испытывает относительно небольшую нагрузку. Регулирующий электромагнитный клапан за тот же период может совершать сотни или тысячи небольших перемещений.

Поэтому для непрерывного управления требуется привод, рассчитанный на работу в режиме модуляции. Двигатель, редуктор, электроника и система определения положения должны выдерживать частые пуски и переключения направления вращения.

В технических условиях на закупку следует указывать предполагаемые задачи управления и примерное количество ходов, а не просто указывать требование о наличии электрического привода.

Рабочая скорость и качество управления

Скорость работы электропривода влияет на оперативность реакции технологического процесса. Быстродействующий привод может быть предпочтительным для небольших контуров регулирования температуры, тогда как более медленнодействующий привод может оказаться более целесообразным в крупных водопроводных системах, где резкое перемещение клапана может вызвать скачки давления.

Быстрее — не всегда лучше. Если клапан реагирует значительно быстрее, чем сам технологический процесс, регулятор может неоднократно вводить чрезмерные корректировки, в результате чего клапан будет колебаться вокруг требуемого положения.

Поэтому выбранная скорость привода должна соответствовать динамике технологического процесса. Некоторые интеллектуальные электрические приводы позволяют выбирать различные скорости или программировать профили движения.

Варианты системы защиты от сбоев в работе электромагнитного регулирующего клапана

Инженеры должны определить, как должен вести себя клапан в случае потери электропитания или связи с системой управления.

Клапан с режимом «отказ на месте» останавливается вблизи своего последнего заданного положения. Такой режим может быть целесообразен в тех случаях, когда резкое перемещение может привести к нежелательному сбою технологического процесса.

Некоторые электрические приводы могут перемещаться в положение «открыто при отказе» или «закрыто при отказе» с помощью механической пружины, батареи, конденсатора или другого устройства, накапливающего энергию.

Требования к действию при сбое должны определяться на основе анализа безопасности технологического процесса. В технических условиях также должна быть указана требуемая скорость срабатывания при сбое, поскольку очень быстрое закрытие клапана при сбое может вызвать гидравлические удары в жидкостных системах.

Ручное управление и локальное управление

Большинство промышленных электрических приводов оснащены ручным маховиком или другим механизмом ручного управления. Это позволяет персоналу по техническому обслуживанию управлять клапаном в случае отсутствия нормального электропитания.

На корпусе привода также могут быть предусмотрены локальные органы управления открытием, остановкой и закрытием. Селектор «локальный/дистанционный» определяет, откуда поступают команды: от персонала на месте или от центральной системы управления.

В случае регулирующих клапанов локальная индикация положения помогает техническим специалистам сравнивать движение привода с управляющим сигналом во время ввода в эксплуатацию и устранения неисправностей.

Области применения электрических регулирующих клапанов

Очистка воды

Электрические регулирующие клапаны регулируют поток сырой воды, фильтрованной воды, дозирование химикатов, наполнение резервуаров и распределение потока. Электрический привод особенно полезен на удаленных очистных сооружениях, где имеется электроэнергия, но отсутствует приборный воздух.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха

Электроприводные шаровые, дроссельные и глобусные клапаны широко используются в контурах охлажденной воды, горячей воды и конденсатной воды. Система автоматизации здания регулирует работу клапана в зависимости от температуры в помещении, перепада давления или потребности в охлаждении.

Насосные и бустерные системы

Электрические регулирующие клапаны могут взаимодействовать с насосами для регулирования давления нагнетания или расхода в системе. Управляемое перемещение клапана также помогает смягчить резкие гидравлические перепады при запуске и остановке насоса.

Промышленные системы отопления

Электрические шаровые краны регулируют подачу горячей воды, термомасла и, в некоторых случаях, пара. Система управления регулирует расход энергии в зависимости от температуры технологического процесса.

Химическая переработка

Электрические регулирующие клапаны из нержавеющей стали с внутренней облицовкой и коррозионно-стойкие используются для пропускания химических веществ, если материалы клапана и корпус привода совместимы с технологическим процессом и окружающей средой.

Переработка продуктов питания и напитков

Электрические регулирующие клапаны используются для регулирования потоков воды, моющих жидкостей и совместимых с ними веществ. В некоторых случаях может потребоваться санитарная конструкция корпуса и использование соответствующих уплотнительных материалов.

Электрический регулирующий клапан и пневматический регулирующий клапан

Как электрические, так и пневматические регулирующие клапаны могут регулировать промышленные процессы, однако они используют разные источники энергии и вспомогательное оборудование.

Электрический регулирующий клапан требует подключения к источнику электропитания и сигнальной проводке. Это может быть удобно для удаленных объектов и предприятий, где отсутствует сжатый воздух. Многие электрические приводы также объединяют в одном корпусе средства локального управления, диагностики и обратной связи по положению.

Пневматический регулирующий клапан работает на сжатом воздухе и, как правило, состоит из пневматического привода и позиционера. Пневматические системы широко используются на крупных технологических предприятиях, где уже имеется технический воздух и требуется частое и быстрое перемещение.

Как выбрать электромагнитный регулирующий клапан

Выбор следует начинать с анализа технологического процесса, а не с каталога приводов. Тип клапана, пропускная способность и совместимость материалов должны в первую очередь соответствовать требованиям системы.

1. Определите функцию регулирования. Установите, регулирует ли клапан расход, давление, температуру или уровень.
2. Укажите технологические параметры. Зафиксируйте минимальные, нормальные и максимальные значения расхода, давления и температуры.
3. Выберите тип клапана. Выберите шаровой, дроссельный или проходной клапан в зависимости от размера трубы, требуемой точности регулирования и перепада давления.
4. Рассчитайте коэффициент Cv или Kv. Подбирайте размер клапана исходя из фактических условий технологического процесса, а не только по диаметру трубы.
5. Выберите материалы. Убедитесь в совместимости корпуса, обшивки, седла, штока и уплотнений.
6. Рассчитайте крутящий момент или тягу привода. Используйте данные производителя клапана при максимальном перепаде давления в технологическом процессе.
7. Определите электрические характеристики. Укажите напряжение, фазу, частоту, сигнал управления и обратную связь по положению.
8. Подтвердите режим управления. Укажите частоту модуляции, рабочую скорость и требуемое действие в случае сбоя.

Что следует проверить покупателям перед оформлением заказа

В технически полном коммерческом предложении должны быть указаны как клапан, так и привод. Общих описаний, таких как “электрический регулирующий клапан DN100”, недостаточно для сравнения предложений разных поставщиков.

В техническом паспорте клапана должны быть указаны тип корпуса, номинальное давление, материал корпуса, внутреннее устройство, материал седла, тип соединения, коэффициент пропускной способности и требуемые характеристики перекрытия.

В техническом паспорте привода должны быть указаны: источник питания, номинальная мощность двигателя, крутящий момент или тяга, рабочая скорость, степень модуляции, класс защиты корпуса, входные и выходные сигналы управления.

Поставщик также должен указать, были ли клапан и привод собраны, откалиброваны и прошли ли они функциональные испытания перед отгрузкой.

Установка электрического регулирующего клапана

Перед монтажом убедитесь, что направление потока в клапане, размер трубы, номинальное давление и материалы соответствуют утвержденной технической спецификации. Промойте трубопровод для удаления сварочного шлака, ржавчины и других загрязнений, которые могут повредить седло или внутренние детали клапана.

Трубопроводы следует выравнивать отдельно. Не используйте болты фланцев для притягивания невыровненных трубопроводов к клапану, так как деформация корпуса может повлиять на уплотняющие поверхности.

Электрический привод должен иметь достаточное пространство для локального управления, ручного управления в аварийном режиме и технического обслуживания. Кабельные вводы должны быть надлежащим образом герметизированы для обеспечения требуемого класса защиты корпуса.

Перед подачей питания на привод убедитесь в правильности параметров электропитания. Неправильное напряжение может привести к повреждению двигателя или электронных элементов системы управления.

После завершения подключения убедитесь в правильности направления команды. Увеличивающийся управляющий сигнал должен приводить к перемещению клапана в направлении, предусмотренном алгоритмом управления.

Ввод в эксплуатацию модулирующего электромагнитного регулирующего клапана

В ходе ввода в эксплуатацию необходимо проверить не только работу в полностью открытом и полностью закрытом положениях. Регулирующий клапан следует проверить в нескольких промежуточных положениях.

Введите типовые команды управления, такие как 25%, 50% и 75%, и убедитесь, что фактическое положение клапана соответствует заданному значению. Одновременно проверьте сигнал обратной связи по положению.

Уточните пределы хода в открытом и закрытом положениях, настройки крутящего момента или тяги привода, а также требуемое действие в случае отказа.

После запуска процесса следует проверить, остается ли клапан в пределах рабочего диапазона хода. Если для обеспечения нормального расхода клапан должен находиться в почти закрытом положении, это может означать, что он подобран с запасом.

Настройку контура управления следует выполнять после того, как будет изучена характеристика работы установленного клапана. Слишком жесткие настройки регулятора могут привести к постоянному колебанию положения привода.

Техническое обслуживание электрических регулирующих клапанов

В рамках планового технического обслуживания следует проводить как осмотр механических клапанов, так и проверку электрических приводов.

Проверьте клапан на наличие утечек в штоке, фланце и корпусе. Изменения рабочего момента затяжки могут свидетельствовать об износе седла, образовании отложений или внутренних механических повреждениях.

Проверьте корпус привода на наличие влаги, коррозии и повреждений кабельных вводов. Периодически проверяйте работу ручного управления и функций локального управления.

Данные обратной связи по положению следует сравнивать с фактическим ходом клапана. Дрейф калибровки может привести к тому, что система управления будет считать, что клапан находится в положении, отличном от его реального механического положения.

В случае клапанов, подвергающихся частой модуляции, данные об истории эксплуатации и количестве циклов могут помочь определить интервалы профилактического технического обслуживания. Интеллектуальные приводы могут предоставлять данные о динамике крутящего момента и записи сигналов тревоги, которые позволяют выявить зарождающиеся механические неисправности.

Распространенные неисправности электромагнитных регулирующих клапанов

Часто задаваемые вопросы об электрических регулирующих клапанах