Регулирующие органы и исполнительные механизмы

Регулирующий орган осуществляет регулирующее воз­действие на объект изменением расхода вещества или энергии, подводимой к нему. Для изменения расхода жидкостей, газов и паров применяют дроссельные регулирующие органы. Их дей­ствие основано на изменении проходного сечения трубопровода в месте установки регулирующего органа. Проходное сечение дрос­сельного регулирующего органа изменяют, открывая или закрывая его. Расход вещества через такой регулирующий орган зависит от степени его открытия и перепада давлений на нем. Поэтому сле­дует иметь в виду, что даже при одной и той же степени открытия дроссельного регулирующего органа расход через него может изме­няться при изменении перепада давлений.

К дроссельным регулирующим органам относятся односедельные, двухседельные и диафрагмовые клапаны, а также заслонки. В одно- седельных и двухседельных регулирующих клапанах (рис. 5.25) изменение проходного сечения производится перемещением од­ного или двух плунжеров 2 относительно седла 3. Преимущество односедельного клапана перед двухседельным в том, что он обес­печивает при закрытии герметичное перекрытие трубопровода,

в то время как у двухседельного невозможно обеспечить герме­тичную посадку в седла одновременно обоих плунжеров. С дру­гой стороны, перепад давлений на клапане создает на плунжере односедельного клапана выталкивающее усилие, достигающее максимальной величины при полностью закрытом клапане. У двухседельного же клапана такие силы приложены к обоим плунжерам, но направлены в разные стороны. Поэтому результи­рующее усилие на штоке такого клапана даже При полном закры­тии гораздо меньше, чем у односедельного, и для перемещения двухседельного клапана требуется исполнительный механизм меньшей мощности, чем для односедельного. В диафрагмовых клапанах (рис. 5.26) проходное сечение изменяется в результате перемещения центра диафрагмы 2 относительно перегородки 3 в корпусе клапана 1.

В трубопроводах большого сечения для управления потоками газа и пара обычно применяют поворотную заслонку (рис. 5.27). Основной элемент заслонки — круглый диск 1, укрепленный на оси 2 и помещенный в корпусе 3. Поворотом диска изменяется площадь проходного сечения между заслонкой и корпусом. Если диск находится в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, то проходное сечение равно нулю. По мере поворота диска площадь проходного сечения увеличивается и достигает максимума, когда положение диска совпадает с осью корпуса.

 

Основной характеристикой дроссельного регулирующего органа как элемента АСР является его статическая характеристика — зави­симость расхода вещества через регулирующий орган от степени его открытия.

Для регулирующего органа предпочтительна линейная стати­ческая характеристика, так как только в этом случае не искажа­ется закон регулирования, формируемый регулятором в АСР. Однако, как указывалось выше, расход через дроссельный регу­лирующий орган зависит еще и от перепада давлений, который в технологическом процессе может изменяться с изменением расхода. Поэтому статическая характеристика регулирующего органа, линейная при постоянном перепаде давлений, может ока­заться нелинейной в реальных условиях.

Чтобы избежать этого, применяют клапаны не только с линей­ными, но и с нелинейными характеристиками при постоянном перепаде давлений. Таким образом удается скомпенсировать не­линейность статической характеристики регулирующего органа, обусловленную переменным перепадом давлений.

Для дроссельных регулирующих органов необходимая стати­ческая характеристика наиболее просто может быть получена у регулирующего клапана. В настоящее время промышленность выпускает регулирующие клапаны с линейной, логарифмической и параболической характеристиками, причем клапаны с различ­ными характеристиками отличаются лишь формой плунжера.

Кроме статической характеристики регулирующий клапан характеризует его пропускная способность — расход воды через пол­ностью открытый регулирующий орган при перепаде давлений на нем 1 • 10⁵ Па. Этот расход (в м³/ч) указывается в паспортных данных регулирующего органа вместе с другими его показателями: условным давлением, допустимой температурой и т. п.

Регулирующий орган выбирают по пропускной способности, виду требуемой статической характеристики, а также исходя из условий его эксплуатации: свойств протекающей среды, темпера­туры и давления в трубопроводе.

Для трубопроводов небольшого диаметра (до 25 мм) применяют односедельные регулирующие клапаны, большого диаметра — двух- седельные. В тех случаях, когда условия эксплуатации не позво­ляют применять регулирующие клапаны, используют диафрагмовые клапаны сильноагрессивных жидкостей. Диафрагмы в таких клапанах изготавливают из кислотостойкой резины, фторопласта и других материалов, стойких по отношению к протекающей среде, а внутреннюю поверхность корпуса покрывают фторопластом или эмалью.

Исполнительный механизм преобразует выходной сигнал регуля­тора в перемещение регулирующего органа. По виду используемой энергии исполнительные механизмы делятся на пневматические, гидравлические и электрические. В инженерных системах наи­большее применение получили пневматические и электрические исполнительные механизмы.

Пневматические исполнительные механизмы (рис. 5.28) преобразуют входное давление р в прогиб мембраны 1 и перемещение l связан­ного с ней штока 6. Мембрана (обычно рези­нотканевая) герметично заделана по краю между верхней 3 и нижней 4 крышками. Цент­ральная часть мембраны опирается на жесткий центр 2. Благодаря противодействию пружи­ны 5 статическая характеристика исполнительного механизма, т. е. зависимость перемеще­ния / от давления р, линейна.

Обычно пневматические исполнительные механизмы применяют для управления регули­рующими клапанами и их выпускают как одно устройство — пневматический регулирующий клапан. Имеются два вида пневматических регулирующих клапанов: «нормально от­крытые» (НО) и «нормально закрытые» (НЗ). У первых (рис. 5.29, а) при отсутствии давления воздуха над мембраной 1 шток 3 под действием пружины 2 переходит в крайнее верхнее положение и плунжер 4 при этом полностью открывает клапан. С повыше­нием давления воздуха проходное сечение такого клапана умень­шается. У вторых (рис. 5.29, б) при отсутствии давления воздуха проходное сечение полностью перекрыто и клапан открывается лишь при появлении давления над мембраной.

Электрические исполнительные механизмы должны обеспечивать перемещение регулирующего органа по командам, поступающим от электрического регулятора при автоматическом управлении или от оператора при ручном дистанционном управлении. При поступ­лении команды исполнительный механизм перемещается с посто­янной скоростью. Однако благодаря импульсному режиму работы средняя скорость выходного вала исполнительного механизма оказывается переменной. Различные типы исполнительных меха­низмов отличаются величиной крутящего момента на выходном валу и скоростью его поворота при включенном электродвигателе.

В состав электрического исполнительного механизма (рис. 5.30) обычно входят следующие основные элементы: реверсивный элект­родвигатель, ручной привод, концевые и путевые выключатели, тормозное устройство и датчик положения выходного вала. Элект­родвигатель 1 с редуктором 2 служат для преобразования электри­ческой энергии в механическую, достаточную для перемещения регулирующего органа. Маховик 3 необходим для перемещения выходного вала 4 исполнительного механизма вручную при вы­ходе из строя тиристорного пускателя или электродвигателя.

В исполнительном механизме имеются вспомогательные устрой­ства, обеспечивающие преобразование угла поворота выходного вала 4 в электрические сигналы различного назначения. Дифференциально-трансформаторный преобразователь 5 служит для

 

введения в регулятор сигнала обратной связи, пропорционального углу поворота выходного вала исполнительного механизма или, что то же самое, степени открытия регулирующего органа.

Выходной сигнал реостатного преобразователя 6 использу­ется для работы дистанционного указателя положения исполни­тельного механизма, устанавливаемого на щите оператора рядом с кнопками ручного дистанционного управления. Концевые выключатели 7 выполняют защитные функции. Они отключают тиристорный пускатель при достижении регулирующим органом крайних положений. Путевые выключатели 8 служат для ограни­чения диапазона перемещения регулирующего органа. В автома­тическом режиме работы они отключают пускатель при выходе за пределы установленного диапазона.

Тормозное устройство в исполнительных механизмах необхо­димо для уменьшения выбега выходного вала после прекращения действия управляющих импульсов. Обычно тормозное устройство снабжается электромагнитным приводом, который работает следующим образом: при появлении силового напряжения на элект­родвигателе появляется ток и в обмотке электромагнита. Якорь втягивается и отводит тормозную колодку от вала электродвига­теля. При исчезновении силового напряжения электромагнит обесточивается и вал электродвигателя тормозится колодкой, которая прижимается к нему пружиной.