Исполнительные устройства

Лекция 13. Исполнительныеустройства 13.1Общиесведения ОднимизтрехкомпонентовСПАЗявляетсяисполнительноеустройство–этоустройство,котороепредназначенодлявоздействиянаобъектпутемизменениярасходапроходящейчерезнихтехнологическойсреды(жидкости,газа,параилисыпучегоматериала)всоответствиискоманднойинформацией,поступающейотрегуляторовилидругихуправляющихустройств.Всистемахуправленияисполнительныеустройстваявляютсяконечнымиэлементами;ихобычноустанавливаютнатехнологическихтрубопроводах. Входныеивыходныесигналыисполнительныхустройств,атакжеихметодывоздействиянаобъектуправлениямогутиметьразличнуюфизическуюприроду:онимогутбытьэлектрические,гидравлические,пневматические,механическиеикомбинированные.Большинствоисполнительныхустройствимеютмеханическийилиэлектрическийвыход. Управлениеисполнительнымиустройствамиосуществляется,какправило,черезусилителимощности.Помимотого,непосредственнокисполнительномуустройствуможетподводитьсяэнергияотдополнительногоисточника. Исполнительныеустройствадолжныудовлетворятьследующимтребованиям: –ихмощностьдолжнапревосходитьмощность,необходимуюдляприведениявдвижениеобъектауправленияилиегооргановвовсехрежимахработы; –статическиехарактеристикиисполнительныхустройствдолжныбыть,повозможности,линейнымиииметьминимальнуюзонунечувствительности(этозона,впределахкоторойизмененияуправляющегосигналаневызываютперемещениеуправляемогооргана); -достаточноебыстродействие; -простотаиэкономичностьрегулированиявыходнойвеличины; -малаяпотребляемаямощность. Электрическиеисполнительныеустройства,получившиенаибольшеераспространение,преобразуютэнергиюэлектрическоготокавмеханическуюэнергиюсцельювоздействиянаобъектуправления.Ониделятсянаэлектромагнитныеиэлектродвигательные.Кэлектромагнитнымустройствамотносятсяреле,контакторы,электромагниты,электромагнитныевентилииклапаны,электромагнитныемуфты,акэлектродвигательным-двигателипостоянногоипеременноготокаишаговые(импульсные). Электромагнитныеисполнительныеустройства,основнымэлементомкоторыхявляетсяэлектромагнитныйпривод,какправило,используютсядляпоступательногоперемещенияоргановуправления,аэлектрическиедвигатели–дляповоротного. Исполнительныеустройства(ИУ)состоятизпривода–исполнительногомеханизма(ИМ),ирегулирующегооргана(РО)(рис. 13.1).ИМвоспринимаеткомандныесигналырегулятораидругогоуправляющегоустройстваиразвиваетперестановочноеусилие,вызывающееперемещениееговыходногоэлемента.РОнепосредственновоздействуетнатехнологическийпроцесс. Рис. 13.1–Функциональнаясхемаисполнительногоустройства НаибольшеераспространениеполучилиРОдроссельноготипа,представляющиесобойпеременноегидравлическоесопротивление,изменяющеерасходвеществазасчетизменениясвоегопроходногосечения.Книмотносятсярегулирующиеклапаны,поворотныезаслонки,шиберыикраны.Регулирующиеорганыхарактеризуютсямногимипараметрами,основнымиизкоторыхявляются:пропускнаяиусловнаяпропускнаяспособности,условноеирабочеедавление,перепаддавлениянаРОиусловныйпроход. 13.2Классификациярегулирующихорганов КлассификацияРОпоказананарис. 13.2.Внефтегазовойпромышленностирегулирующимиорганамиявляетсятрубопроводнаяарматура,поэтомудалеебудутиспользоватьсяобаэтихтермина. Рис. 13.2 –Классификациярегулирующихорганов 13.2.1Классификацияпоназначению Запорныеустройстваиспользуютсядляполногоперекрыванияпотокажидкостиилигаза.ЕстьдваположенияРО:пропускаетпотоквнутреннейсредыинепропускаетпотоквнутреннейсреды.Регулирующиеустройстванемогутполностьюперекрыватьпоток,онитолькорегулируютегопараметры.Существуюттакжетакназываемыезапорно-регулирующиеустройства,вкоторыхкрайниеположенияРОсоответствуютзапорным,тоестьлибопропускают,либонепропускаютжидкостьилигаз,апромежуточныеположениясоответствуютрегулирующим–пропускаютвнутреннююсредувсоответствиисзаданнымипараметрами.Предохранительнаяарматура–арматура,предназначеннаядляавтоматическойзащитыоборудованияитрубопроводовотнедопустимогопревышениядавленияпосредствомсбросаизбыткарабочейсреды,такназываемогомассоотвода.Наиболееширокоераспространениеполучилипружинныепредохранительныеклапаныпрямогодействия,конструктивнопростыеинетребующиеспециальнойрегулировки(рис. 13.3). Рис. 13.3 –Пружинныйпредохранительныйклапанпрямогодействия Рис. 13.4 –Шаровойкрансэлектроприводом Существуеттакжезащитнаяарматура,предназначеннаядлязащитытехнологическихсистем,оборудования,трубопроводов,насосовисосудовподдавлениемотвозникновенияилипоследствийаварийныхситуаций.Посвоемуназначениюзащитнаяарматураоченьблизкакпредохранительной:обавидадолжныпредотвращатьотклоненияотнормальноготечениятехнологическогопроцессаиограничиватьпоследствиятакихотклонений,недаваяразвитьсясерьёзнымавариям.Главноеихотличие–впринципедействия.Еслипредохранительнаяарматураоткрывается,обеспечиваямассотводиснижениепараметровсистемызасчётэтого,тозащитная–закрывается,отключаязащищаемыйучастоксистемыилиединицуоборудования.Наибольшеераспространениеполучилиобратныеклапаны,предотвращающиеизменениенаправленияпотокасредывследствиеполомкиоборудованиявсложныхтехнологическихсхемах.Ониделятсянасобственнообратныеклапаныиобратныезатворы.Вобратныхклапанахзатворомслужитзолотник,которыйперемещаетсявозвратно-поступательнопонаправлениюпотокасредычерезседло.Поконструкцииитехнологииизготовленияонипроще,чемдругиетипы,приэтомпозволяютобеспечитьнадёжнуюгерметичность,ноболеечувствительныкзагрязнённымсредам,привоздействиикоторыхвозможнозаеданиеклапана.Вобратныхзатворахзатворомявляетсякруглыйдиск,совершающийповоротвокругсвоейоси.Онименеечувствительныкзагрязнённымсредамиимеютвозможностьобеспеченияработоспособностизатворовдлявесьмабольшихдиаметровтрубопроводов.Вобоихслучаяхэтиустройствапропускаютсредуводномнаправленииипредотвращаютеёдвижениевпротивоположном,действуяприэтомавтоматическииявляясьарматуройпрямогодействия(нарядуспредохранительнымиклапанамиирегуляторамидавленияпрямогодействия). Принарушениинормальногоходатехнологическогопроцессаиливозникновенииаварийнойситуацииврядеслучаеввозникаетнеобходимостьбыстрогоотключенияагрегата,трубопроводаилиегоучасткаотобщейсистемы,дляэтойцелислужитотсечнаяарматура.Вотличиеотдругойзащитнойарматуры,отсечнаядействуетненепосредственноотсреды,асиспользованиемвнешнихисточниковэнергиипокомандеотспециальныхдатчиков,атакжеможетбытьдистанционнооткрытаизакрытаперсоналом.Отсечнаяарматурапредставляетсобойбыстродействующиезапорныеустройства,клапаныилизадвижки,снабженныепневматическимиилиэлектрическимиприводами.Запорныйорганэтихустройствможетбытьввидетарельчатогоклапана,кранасконическойилишаровойпробкойиливвидезадвижки.Чащевсегоприменяютсябыстродействующиеотсечныеклапаныизадвижкисодностороннимпневматическимпоршневымприводом,таккакэтоттипприводаспособенсоздаватьбольшиеусилиязакрытия,жёсткофиксироватьположениерабочегоорганавсостоянии«закрыто»иотличаетсябыстродействием–приводыэтоготипамогутзакрытьклапанилизадвижкуоченьбольшогоразмеразанесколькосекунд.Новстречаютсяидругиеконструкции,напримеротсечнаякрановаясшаровойпробкойарматура,оснащеннаяэлектрическимприводом(рис. 13.4). Длярегулированиярасходажидкостиигазовприменяютдроссельныеорганыследующихосновныхтипов:шиберы,поворотныезаслонкиирегулирующиеклапаны.Всеониимеютподвижноеустройство,приперемещениикоторогоизменяютсяпроходноесечениеигидравлическоесопротивлениерегулирующегооргана. 13.2.2Классификацияпотипу Основныхтиповарматурывсегочетыре:задвижка,клапан,кран,дисковыйзатвор.Принадлежностьккаждомуизнихопределяетсянаправлениемперемещениязапирающегоилирегулирующегоэлементаотносительнопотокарабочейсреды. Типарматуры,укоторойзапирающийилирегулирующийэлементперемещаетсяперпендикулярнокосипотокарабочейсреды,называетсязадвижка.Клапан–типарматуры,укоторойзапирающийилирегулирующийэлементперемещаетсяпараллельноосипотокарабочейсреды.Вкранезапирающий(регулирующий)элемент,выполненныйвформетелавращенияилиегочасти,поворачиваетсявокругсобственнойоси(этомуможетпредшествоватьвозвратно-поступательноедвижение),произвольнорасположеннойпоотношениюкнаправлениюпотокарабочейсреды.Вдисковомзатвореимеющийформудисказапирающий(регулирующий)элементповорачиваетсявокругоси,расположеннойперпендикулярноилиподугломкнаправлениюпотокарабочейсреды.Каждыйизэтихтиповимеетсвоиразновидности.Так,задвижкивзависимостиотконструкцииседлаизатворабываютклиновымиишиберными.Клапанысзатворомвформетарелкиназываюттарельчатыми,аввидеконуснойиглы─игольчатыми.Крометого,клапанымогутбытьодноседельнымиидвухседельными.Краныразделяютнаконусные,цилиндрические,шаровые. Укаждогоизперечисленныхтиповтрубопроводнойарматурысвоипреимуществаинедостатки,авсоответствиисними–болееименеепредпочтительныеобластиприменения.Так,особенностьюзадвижекявляютсямалоегидравлическоесопротивление,большоеусилиенаприводзатвора,медленноесрабатывание,апризагрязненныхжидкостях–износповерхностиседла.Задвижкигораздолучшесправляютсясрольюзапорнойарматуры,нежелирегулирующей.Вотличиеотзадвижек,самыйраспространенныйвидтрубопроводнойарматуры–клапаны–обладаютбыстрымсрабатыванием,значительнымгидравлическимсопротивлением,высокойгерметичностью.Клапанывходятвконструкциюбольшинстварегуляторов.Краны,такжекакиклапаны,имеютбыстроесрабатывание.Удисковогозатворамалоеусилиенаприводзатвора,гидравлическоесопротивлениеибыстроесрабатывание. Конструкцияшиберныхзадвижекпоказананарис. 13.5,а.Перемещающийсяперпендикулярнодвижениюпотокарабочейсредышибероткрываетизакрываетпроходноеотверстие.Усилие,котороесоздаетприводзадвижкишиберной,передаетсяемучерезшпиндель(шток).Такиезадвижкииспользуютсяпреимущественноназагрязненныхсредах(например,смеханическимипримесями).Вклиновыхзадвижках(рис. 13.5,б)сёдлавкорпусерасположеныподнебольшимугломдругкдругу,азатворпредставляетсобойустройствоввидеклина–жёсткого,упругогоилидвухдискового,которыйвположении«закрыто»плотновходитвпространствомеждусёдлами. 1–корпус;2–затвор;3–крышка;4–узелсальника;5–шпиндель(шток);6–стойка;7–ходовойузел;8–электропривод а) шиберная б) клиновая Рис. 13.5 – Задвижки с электроприводом Дисковыйзатвор–типтрубопроводнойарматуры,вкоторомзапирающийилирегулирующийэлементимеетформудиска,поворачивающегосявокругоси,перпендикулярнойилирасположеннойподугломкнаправлениюпотокарабочейсреды.Такжеэтиустройстваназываютсязаслонками,поворотнымизатворамиидр.Наиболеечастотакаяарматураприменяетсяприбольшихдиаметрахтрубопроводов,малыхдавленияхсредыипониженныхтребованияхкгерметичностирабочегооргана,восновномвкачествезапорнойарматуры. Вдисковыхзатворах(рис. 13.6)запирающийэлемент,тоестьзатвор,имеетформудиска,которыйможетперекрыватьпроходрабочейсредечерезкольцевоеседловкорпусепутёмповорота(какправило,на90°)затворавокругоси,перпендикулярнойнаправлениюпотокасреды.Приэтомосьвращениядискаможетявлятьсяегособственнойосью(осевыедисковыезатворы)илиженесовпадатьсосью(эксцентриковыедисковыезатворы).Всвязиснекоторойсхожестьюформызатворасбабочкой,ванглоязычныхстранахдисковыезатворыносятназваниеbutterflyvalve. Кран(отнидерл.kraan–«журавль»)–типтрубопроводнойарматуры,укоторогозапирающийилирегулирующийэлемент,имеющийформутелавращения(чащевсегошара)илиегочасти,поворачиваетсявокругсобственнойоси,произвольнорасположеннойпоотношениюкнаправлениюпотокарабочейсреды. Кранымогутпредставлятьсобойзапорныеилирегулирующиеустройстваипредназначеныдляработысгазообразнымиижидкимисредами,втомчислевязкимиизагрязнёнными,суспензиями,пульпами,шламами.Ониширокоиспользуютсянамагистральныхгазопроводахинефтепроводах. Рис. 13.6 –Дисковыйзатвор Рис. 13.7 –Шаровойкран Регулирующиеклапаныявляютсянаиболеераспространеннымвидомдросселирующихрегулирующихорганов.Ониприменяютсядлярегулированиярасходовжидкостей,паровигазовприлюбыхпараметрахсреды.Этонаиболеечастоприменяющийсятипрегулирующейарматурыкакдлянепрерывного(аналогового),такидлядискретногорегулированиярасходаидавлениязасчётизменениярасходасредычерезпроходноесечениеклапана.Взависимостиотназначенияиусловийэксплуатацииприменяютсяразличныевидыуправлениярегулирующейарматурой,чащевсегоприэтомиспользуютсяспециальныеприводыиуправлениеспомощьюпромышленныхмикроконтроллеровпокомандеотдатчиков,фиксирующихпараметрысредывтрубопроводе.Используютсяэлектрические,пневматические,гидравлическиеиэлектромагнитныеприводы. Нарис. 13.8 показансамыйпростойодноседельныйрегулирующийклапан.Усилиеотприводаспомощьюштокапередаетсяназатвор,состоящийизплунжераиседла.Плунжерперекрываетчастьпроходногосечения,чтоприводиткуменьшениюрасходачерезклапан. B—корпусарматуры; F—фланецдляприсоединенияарматурыктрубопроводу; P—узелуплотнения,обеспечивающийгерметичностьарматурыпоотношениюквнешнейсреде; S—штокарматуры,передающийпоступательноеусилиеотмеханизированногоилиручногоприводазатвору,состоящемуизплунжераиседла; T—плунжер,своимпрофилемопределяетхарактеристикурегулированияарматуры; V—седлоарматуры,элемент,обеспечивающийпосадкуплунжеравкрайнемзакрытомположении а)внешнийвид б)принципдействия Рис. 13.8 –Регулирующийклапан