Клапаны с приводом являются важнейшими компонентами в промышленной автоматизации. Они позволяют автоматически открывать, закрывать или регулировать расход, не требуя от оператора поворота маховика или рычага. Среди различных типов систем клапанов с приводом наиболее широко используются клапаны с пневматическим и электрическим приводом.

Обе технологии позволяют автоматизировать шаровые краны, дроссельные клапаны, задвижки, клапаны с полным проходом, пробковые клапаны, заслонки и другое оборудование для регулирования расхода. Однако они существенно различаются по источнику питания, скорости, точности управления, поведению в аварийном режиме, требованиям к монтажу, техническому обслуживанию и эксплуатационным затратам. Понимание этих различий имеет решающее значение при выборе привода для энергетики, водоочистки, химической промышленности, нефтегазовой отрасли, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), производства, пищевой промышленности или других промышленных областей применения.

Клапаны с пневматическим и электрическим приводом, применяемые в промышленной автоматизации

Что такое клапан-привод?

Клапан с приводом, более точно называемый приводным клапаном, представляет собой клапан, оснащенный механическим устройством, которое обеспечивает крутящий момент или тягу, необходимые для перемещения запорного элемента клапана. Привод получает пневматический, электрический или управляющий сигнал и преобразует этот входной сигнал в механическое движение.

Клапан регулирует расход технологической среды, а привод обеспечивает усилие, необходимое для управления клапаном. В зависимости от конструкции клапана привод может поворачивать вал примерно на 90 градусов, совершать несколько оборотов резьбового штока или перемещать шток по прямой линии.

В комплект автоматизированного клапанного узла могут входить не только сам клапан и привод. К типичным дополнительным компонентам относятся электромагнитные клапаны, позиционеры, концевые выключатели, датчики положения, регуляторы с воздушным фильтром, станции локального управления, устройства ручного управления, модули связи, монтажные кронштейны и муфты вала.

Терминология: Хотя в качестве поискового запроса широко используется фраза “типы приводных клапанов”, в промышленных технических условиях обычно используются такие термины, как “типы приводов для клапанов”, “клапаны с приводом” или “комплекты автоматизированных клапанов”.”

Два основных типа клапанов с приводом

Пневматические и электрические приводы могут выполнять многие одинаковые задачи по автоматизации клапанов, но они создают движение по-разному. Пневматический привод использует сжатый воздух, а электрический привод — электродвигатель и внутреннюю систему передачи движения.

Особенность	Клапан с пневматическим приводом	Клапан с электрическим приводом
Источник питания	Сжатый воздух или газ под давлением	Электропитание переменного или постоянного тока
Типичное движение	На четверть оборота или линейный	Четвертьоборотные, многооборотные или линейные
Рабочая скорость	Обычно быстро	Как правило, более медленно, но с отличной управляемостью
Опция отказоустойчивости	Простые механические конструкции с пружинным возвратом	Весна, аккумулятор, конденсатор или варианты резервного питания
Точность управления	Хорошо работает с подходящим позиционером	Отлично работает благодаря встроенной электронной системе управления
Необходимая инфраструктура	Воздушный компрессор, трубопроводы, системы фильтрации и средства управления	Электроснабжение, электромонтаж и защита
Типичные области применения	Быстрое управление технологическим процессом и аварийное отключение	Дистанционное управление и точное позиционирование

Клапаны с пневматическим приводом

Пневматический привод преобразует энергию сжатого воздуха в механическое движение. Давление воздуха воздействует на поршень или мембрану, создавая линейную силу. Затем механизм привода передает эту силу непосредственно на линейный шток клапана или преобразует её в вращающий момент для клапана с поворотом на четверть оборота.

Клапаны с пневматическим приводом широко используются благодаря своей относительной простоте, быстродействию, долговечности и пригодности для частого включения-выключения. Они особенно распространены на объектах, где уже имеется надёжная система подачи приборного воздуха.

Пневматические приводы с пружинным возвратом

Привод с пружинным возвратом, также называемый приводом одностороннего действия, использует сжатый воздух для перемещения клапана в одном направлении, а механическую пружину — для перемещения в противоположном направлении. При отключении подачи воздуха пружина автоматически возвращает клапан в заданное безопасное положение.

В зависимости от технологических требований привод с пружинным возвратом может быть выполнен в варианте «закрытие при отказе» или «открытие при отказе». Клапан с функцией «закрытие при отказе» переходит в закрытое положение при потере давления воздуха. Клапан с функцией «открытие при отказе» переходит в открытое положение.

Клапаны с пневматическим приводом с пружинным возвратом часто используются в системах аварийного отключения, топливо-газовых магистралях, паровых системах, оборудовании для дозирования химических веществ, контурах охлаждающей воды и других областях применения, где клапан должен перейти в безопасное положение в случае потери давления в сети или сигнала управления.

Пневматические приводы двойного действия

Пневматический привод двойного действия использует сжатый воздух для перемещения привода в обоих направлениях. Воздух подается поочередно на противоположные стороны поршня, что позволяет клапану открываться и закрываться без использования возвратной пружины.

Приводы двойного действия способны обеспечивать высокий и относительно сбалансированный крутящий момент в обоих направлениях. Кроме того, они могут иметь менькие габариты, чем аналогичные устройства с пружинным возвратом, поскольку в них не требуется установка большого внутреннего пружинного блока.

Однако стандартный привод двойного действия не перемещается автоматически в заданное положение при отключении подачи воздуха. Клапан может остаться в последнем положении, если система не оснащена пневматическим аккумулятором, внешним устройством обеспечения безопасности при отказе или другим решением, использующим накопленную энергию.

Пневматические приводы с зубчатой рейкой и шестерней

Приводы с зубчатой рейкой и шестерней широко используются для автоматизации поворотных на четверть оборота шаровых, дроссельных и пробковых клапанов. Внутри привода сжатый воздух приводит в движение один или два поршня, снабженных прямыми зубьями. Эти зубчатые рейки входят в зацепление с центральной шестерней, соединенной с валом клапана.

При движении поршней шестерня вращается и приводит в движение клапан. Приводы с зубчатой рейкой и шестерней отличаются компактностью, экономичностью и подходят для широкого спектра общепромышленных применений. Они выпускаются как в исполнении двойного действия, так и с пружинным возвратом.

Пневматические приводы типа «Scotch-Yoke»

Привод с ковшообразным механизмом преобразует линейное движение поршня в вращательное движение с помощью ковшообразного механизма. Его выходной крутящий момент изменяется на протяжении всего хода, при этом зачастую обеспечивая более высокий крутящий момент вблизи положений «открыто» и «закрыто».

Такая характеристика крутящего момента может быть полезной для крупных шаровых, дроссельных и пробковых клапанов, которым требуется повышенный пусковой момент для перемещения из положения полного прижатия. Приводы с шотландским рычагом широко используются в трубопроводах, терминалах, электростанциях, химических предприятиях, а также на нефтегазовых объектах.

Пневматические мембранные приводы

В пневматическом мембранном приводе используется давление воздуха, действующее на гибкую мембрану. Возникающее в результате линейное перемещение приводит в действие шток шарового клапана или другого линейного регулирующего клапана.

Мембранные приводы широко используются для модулирующего регулирования технологических процессов, поскольку они способны плавно реагировать на изменения давления воздуха. Обычно они сочетаются с позиционером клапана, который сравнивает сигнал управления с фактическим положением клапана и соответствующим образом регулирует подачу воздуха.

Пневматические поршневые приводы

В пневматических поршневых приводах вместо гибкой мембраны используется жесткий поршень. Они часто могут работать при более высоком давлении воздуха и развивать большее усилие при использовании компактного цилиндра.

Поршневые приводы могут применяться в регулирующих клапанах, крупных запорных клапанах, паровых клапанах, а также в системах, где требуется большое усилие, большой ход или быстрое срабатывание.

Преимущества клапанов с пневматическим приводом

Быстрая работа: Пневматические приводы способны быстро открывать или закрывать клапаны, благодаря чему они подходят для аварийного отключения и процессов с высокой частотой циклов.
Простая отказоустойчивая конструкция: Механизм с пружинным возвратом позволяет переместить клапан в заданное положение без использования резервного электропитания.
Способность выдерживать большое количество циклов: Правильно подобранные пневматические приводы способны выдерживать частые рабочие циклы.
Компактная конструкция: С помощью относительно компактной конструкции можно создавать высокие значения силы и крутящего момента.
Подходит для зон с суровыми технологическими условиями: Пневматические системы могут быть рассчитаны на эксплуатацию во влажной, запыленной, коррозионной и опасной среде.
Простое локальное оборудование: Механизм привода может содержать меньше электронных компонентов, чем интеллектуальный электрический привод.

Ограничения клапанов с пневматическим приводом

Авиационная инфраструктура: Для объекта требуются компрессоры, осушители, фильтры, регуляторы, трубопроводы и оборудование для распределения сжатого воздуха.
Требования к качеству воздуха: Влага, масло, посторонние частицы или колебания давления могут повлиять на рабочие характеристики привода и вспомогательного оборудования.
Потери энергии: Утечки и неэффективная система подачи сжатого воздуха могут привести к увеличению эксплуатационных расходов.
Пункты технического обслуживания: Трубопроводы, фитинги, уплотнения, электромагнитные клапаны и позиционеры требуют периодического осмотра.
Установка на большом расстоянии: Прокладка пневматической магистрали до изолированного клапана может оказаться более сложной задачей, чем прокладка электропроводки.
Варианты позиционирования: Трение, сжимаемость воздуха и колебания давления в системе подачи могут повлиять на точность модулирования, если не используется подходящий позиционер.

Клапаны с электрическим приводом

Электрический привод клапана использует электродвигатель для создания механического движения. Двигатель, как правило, приводит в движение зубчатые колеса, которые снижают скорость и увеличивают крутящий момент. Встроенные переключатели, датчики, устройства регулирования крутящего момента и электронные модули останавливают привод в нужном положении и защищают клапан от чрезмерного усилие.

Электрические приводы доступны для двухпозиционного отсечения, промежуточного позиционирования и плавного модулирующего регулирования. Их можно подключать к стандартным проводным сигналам, промышленным сетям или цифровым системам управления активами.

Электроприводы с поворотом на четверть оборота

Электроприводы с поворотом на четверть оборота поворачивают вал клапана примерно на 90 градусов. Они широко применяются в шаровых, дроссельных и пробковых клапанах, а также в заслонках.

Эти приводы широко используются в водопроводных системах, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), промышленных инженерных сетях, системах дозирования химических веществ, технологическом оборудовании и удаленных станциях регулирования расхода. Встроенные концевые выключатели останавливают двигатель в положениях «открыто» и «закрыто», а механические упоры или устройства ограничения крутящего момента могут обеспечивать дополнительную защиту.

Многооборотные электрические приводы

Многооборотные электрические приводы обеспечивают вращение выходного вала на несколько оборотов. Обычно они используются для управления задвижками, шаровыми кранами, шлюзовыми затворами и другим оборудованием, для полного хода которого требуется несколько оборотов.

В зависимости от конструкции клапана многооборотный привод может передавать как крутящий момент, так и осевую тягу. Например, для задвижек с поднимающимся штоком конструкция привода должна обеспечивать возможность перемещения штока клапана и одновременно создавать достаточное усилие для прижатия и отрыва уплотнений.

Многооборотные электроприводы широко используются на электростанциях, водоочистных сооружениях, в системах охлаждающей воды, трубопроводах, резервуарных парках и крупных промышленных инженерных сетях.

Линейные электроприводы

Линейный электропривод обеспечивает прямолинейное перемещение и передает тяговое усилие на шток клапана. В его конструкции может использоваться винтовой механизм, линейный тяговый узел или другой способ преобразования вращения двигателя в осевое перемещение.

Линейные электроприводы часто используются с шаровыми регулирующими клапанами, небольшими технологическими клапанами, заслонками, дозирующим оборудованием, а также в тех случаях, когда отсутствует сжатый воздух.

Электрические приводы типа «вкл./выкл.»

Электрический привод типа «вкл./выкл.» перемещает клапан между положениями «полностью открыто» и «полностью закрыто». Он подходит для выполнения функций отсечки, наполнения, слива, переключения потока и управления периодическими процессами, когда промежуточное регулирование расхода не требуется.

Приводы типа «вкл./выкл.» обычно получают простую команду «открыть» или «закрыть». Концевые выключатели, датчики положения или цифровые сигналы обратной связи подтверждают, достигнуто ли заданное положение клапана.

Модулирующие электрические приводы

Модулирующий электрический привод перемещает клапан в промежуточные положения в ответ на управляющий сигнал. Привод может плавно регулировать положение клапана для управления расходом, давлением, температурой, уровнем в резервуаре или другой технологической величиной.

Работа в режиме модуляции предъявляет более высокие требования, чем периодическое открытие и закрытие. Привод должен быть рассчитан с учетом ожидаемого количества пусков, времени работы, частоты позиционирования и точности регулирования. Привод, предназначенный исключительно для изолирующих операций, не следует использовать для непрерывной модуляции, если его номинальные рабочие характеристики этого не допускают.

Электрические приводы с системой защиты от сбоев

Обычный электрический привод может остановиться в последнем положении при отключении электропитания. Если требуется заданное положение при отказе, привод можно оснастить механизмом пружинного возврата, резервным аккумулятором, накопителем энергии на основе конденсаторов, источником бесперебойного питания или другой системой аварийного питания.

Выбранный метод обеспечения отказоустойчивости должен обеспечивать запас энергии, достаточный для перемещения клапана в условиях наихудших ожидаемых значений технологического давления, температуры, трения и нагрузки на седло.

Преимущества клапанов с электрическим приводом

Отсутствие системы сжатого воздуха: Электрические приводы можно устанавливать там, где подача приборного воздуха невозможна или нецелесообразна.
Точное позиционирование: Встроенные системы управления двигателями и датчики положения обеспечивают точное перемещение в промежуточных положениях.
Цифровая коммуникация: Интеллектуальные приводы могут предоставлять данные о положении, крутящем моменте, сигналах тревоги, диагностике и работе.
Удаленная установка: Прокладка электрических кабелей может быть целесообразной для трубопроводов, резервуаров, насосных станций и изолированных технологических зон.
Различные типы движений: Электроприводы доступны для клапанов с поворотом на четверть оборота, многооборотных и линейных клапанов.
Регулируемая рабочая скорость: Данный механизм можно выбрать для снижения гидравлических ударов, гидравлических скачков давления или нестабильности технологического процесса.
Снижение утечки воздуха: Электрические системы позволяют исключить утечки из пневматических трубопроводов и пневматических приспособлений в месте установки клапана.

Ограничения клапанов с электрическим приводом

Более медленное движение в чрезвычайной ситуации: Стандартные приводы с электродвигателем могут работать медленнее, чем пневматические системы.
Сложность отказоустойчивой системы: Для перемещения клапана после отключения питания обычно требуется запас энергии или резервное питание.
Электрическая защита: Двигатели и электронные устройства необходимо защищать от влаги, высоких температур, коррозии, пыли и проблем с напряжением.
Ограничения рабочего цикла: Чрезмерное количество пусков или непрерывная регулировка могут привести к перегреву неправильно подобранного двигателя.
Более сложная электроника: Для работы с интеллектуальными системами управления могут потребоваться специальные навыки по вводу в эксплуатацию и диагностике.
Первоначальная стоимость: Современные электрические приводы могут стоить дороже, чем простые пневматические устройства.

Клапаны с пневматическим и электрическим приводом: как выбрать

Правильный выбор зависит не от какого-то одного общего преимущества, а от совокупности требований к процессу. Инженеры должны сравнивать доступные источники энергии, нагрузку на клапан, требуемую рабочую скорость, рабочий цикл, положение безопасности, точность регулирования, условия окружающей среды и совокупную стоимость жизненного цикла.

Выбирайте пневматические системы, когда

Клапан должен срабатывать очень быстро.
Требуется простое механическое устройство, обеспечивающее безопасность в случае отказа.
Надежный источник приборного воздуха уже имеется.
Клапан часто срабатывает.
Данный процесс требует высокой тяги или крутящего момента при повороте на четверть оборота.
Техники завода уже занимаются техническим обслуживанием пневматических систем управления.

Выбирайте электрические модели, когда

Сеть сжатого воздуха отсутствует.
Клапан установлен в удаленном месте.
Требуется точное позиционирование или медленное контролируемое перемещение.
Цифровая диагностика и связь играют важную роль.
В данной установке используется многооборотный задвижка или шаровой кран.
Снижение утечек в пневматических системах и сокращение инфраструктуры являются приоритетными задачами.

Промышленное применение

Производство электроэнергии

На электростанциях клапаны с пневматическими и электрическими приводами используются в котельных системах, контурах охлаждающей воды, паровых системах, системах подачи топлива, системах водоподготовки, оборудовании для контроля выбросов и вспомогательных установках турбин. Электрические многооборотные приводы часто применяются на крупных задвижках и шаровых кранах, тогда как пневматические приводы обычно используются там, где требуется быстрое регулирование или обеспечение безопасности в случае отказа.

Очистка воды и сточных вод

В системах водоснабжения автоматизируются впускные клапаны, фильтрующие клапаны, системы дозирования химикатов, отсекающие клапаны насосов, линии отвода осадка и распределительные сети. Электрические приводы удобно использовать на удаленных насосных станциях и водохранилищах, тогда как пневматические приводы часто применяются на очистных сооружениях, оснащённых централизованными системами сжатого воздуха.

Нефте-, газо- и химическая переработка

Клапаны с пневматическим приводом широко используются для управления технологическими процессами и аварийного отключения благодаря своей быстрой реакции и возможности возврата в исходное положение под действием пружины. Электрические приводы могут применяться для клапанов удаленных трубопроводов, резервуарных терминалов, инженерных систем, а также на объектах, где отсутствует сжатый воздух или где необходимо сократить выбросы, связанные с работой пневматических систем, использующих газ в качестве источника энергии.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и инженерное обеспечение зданий

Электрические приводы с поворотом на четверть оборота и линейные приводы обычно устанавливаются на регулирующих клапанах и заслонках в системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Пневматические приводы по-прежнему используются в крупных промышленных системах ОВКВ, особенно там, где уже имеется инфраструктура управления подачей воздуха.

Производство и промышленная автоматизация

На автоматизированных производственных линиях оба типа приводов используются для подачи охлаждающей воды, сжатого воздуха, вакуума, пара, чистящих жидкостей, в системах дозирования, а также при транспортировке сырья. Пневматические приводы подходят для быстрых повторяющихся движений, тогда как электрические приводы обеспечивают удобное программируемое позиционирование и интеграцию с системой управления станком.

Основные факторы выбора

Тип клапана: Определите, требуется ли для клапана поворот на четверть оборота, многооборотный ход или линейное перемещение.
Крутящий момент или тяга: Рассчитать требования к рабочему давлению, давлению отрыва, давлению присадочного уплотнения и давлению отрыва уплотнения в условиях наихудшего сценария.
Положение безопасности: Определите, должен ли клапан при отказе открываться, закрываться или оставаться в последнем положении.
Рабочая скорость: Учтите требования к аварийному реагированию, гидравлическому удару, скачкам давления и управлению технологическим процессом.
Рабочий цикл: Укажите количество операций, количество запусков в час, время работы и частоту модуляции.
Доступные утилиты: Проверьте давление и качество воздуха либо напряжение, фазу и частоту электросети.
Метод управления: Укажите команды включения-выключения, аналоговые сигналы позиционирования, связь по полевой шине или цифровую сетевую связь.
Окружающая среда: Оцените влияние температуры, попадания воды, коррозии, вибрации, пыли, опасных газов и воздействия внешних факторов.
Интерфейс клапана: Проверьте размеры фланца, приводную муфту, размер вала, расположение штока и ориентацию монтажа.
Техническое обслуживание: Учтите квалификацию технического персонала, наличие запасных частей, диагностического оборудования, доступ к объекту, а также предполагаемый срок службы.

Часто задаваемые вопросы

Что лучше: клапан с пневматическим или электрическим приводом?

Ни один из этих типов не является безусловно лучшим. Пневматические приводы чаще всего выбирают для быстрого срабатывания, частых циклов работы и простого предохранительного механизма с пружинным возвратом. Электрические приводы чаще всего выбирают для удаленных мест установки, точного позиционирования, многооборотных клапанов и цифрового мониторинга.

Могут ли пневматические приводы точно регулировать положение клапана?

Да. Пневматический привод, оснащенный подходящим позиционером, может обеспечить точное модулирующее регулирование. Эффективность зависит от размеров привода, трения клапана, качества воздуха, стабильности подачи, возможностей позиционера и правильной калибровки.

Что происходит с электрическим приводом при отключении электроэнергии?

Стандартный электрический привод обычно останавливается в текущем положении. Если клапан должен переместиться в заданное безопасное положение, для этого можно использовать устройство с пружинным возвратом, аккумулятор, конденсатор, резервный генератор или источник бесперебойного питания.

Может ли электрический привод управлять шаровым краном?

Да. Электрические приводы с поворотом на четверть оборота широко используются с шаровыми, дроссельными и пробковыми клапанами. Привод должен обеспечивать достаточный пусковой и рабочий крутящий момент для выбранного клапана и условий технологического процесса.

В чём заключается разница между приводами с режимом «вкл./выкл.» и модулирующими приводами?

Привод типа «включено-выключено» перемещает клапан между положениями «полностью открыто» и «полностью закрыто». Модулирующий привод многократно перемещает клапан в промежуточные положения для регулирования технологической величины, такой как расход, давление, температура или уровень.

Заключение: Ознакомление с основными типами клапанов-приводов

Пневматические и электрические приводы — это две основные технологии, используемые для автоматизации промышленных клапанов. Клапаны с пневматическими приводами работают на сжатом воздухе и отличаются быстрым ходом, высокой циклической нагрузочной способностью и простой отказоустойчивой конструкцией с пружинным возвратом. К их основным конфигурациям относятся приводы с пружинным возвратом, двустороннего действия, с зубчатой рейкой, с шотландским ярмом, мембранные и поршневые приводы.

Клапаны с электроприводом используют двигатель и редукторную систему для обеспечения поворота на четверть оборота, многооборотного поворота или линейного перемещения. Они обеспечивают точное позиционирование, удобное дистанционное управление, а также широкие возможности управления и диагностики, не требуя подключения к сети сжатого воздуха.

Невозможно выбрать оптимальный привод, ориентируясь исключительно на источник питания. Надежная автоматизированная система клапана должна соответствовать ходу клапана, крутящему моменту или тяговому усилию, рабочей скорости, коэффициенту загрузки, требованиям к отказоустойчивости, архитектуре системы управления, условиям эксплуатации и стратегии технического обслуживания конкретного применения. Правильный подбор размеров и всестороннее испытание сборки имеют решающее значение для безопасной, эффективной и долговечной работы клапана.

Получить расценки

Типы клапанов с приводом