Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Как уже указывалось, исполнительное устройство предназначено для реализации сигнала управления, вырабатываемого регулирую­щим устройством автоматического регулятора.

Воздействие на процесс осуществляется изменением расхода про­ходящей через исполнительное устройство среды таким образом, чтобы это воздействие вызвало изменение регулируемого параметра в нужном направлении.

Исполнительное устройство, широко применяемое в газовой про­мышленности, показано на рис. 15.1,а. Оно состоит из двух основ­ных частей: исполнительного механизма и регулирующего органа.

Перестановочное усилие в одном направлении создается давле­нием сжатого воздуха на эластичную мембрану 1 в рабочей полости исполнительного механизма, а в противоположном — за счет усилия упругости пружины 3. Опорный диск 2, к которому жестко прикреп­лен шток 4, расположен на верхнем торце пружины. Нижним тор­цом пружина опирается на шайбу 5, которая поджата резьбовой втулкой 6. Последняя может перемещаться по резьбе в кронштей­не 9. Шток исполнительного механизма соединен со штоком 12 ре­гулирующего органа при помощи соединительной гайки 7, снабжен­ной указателем. На кронштейне прикреплена шкала 8 исполнитель­ного устройства. В корпус 13 регулирующего органа ввинчены два седла 15, образующие вместе с затвором 14 проходное сечение для регулируемой среды. Уплотнение штока 12 регулирующего органа осуществляется при помощи сальника 11, выполненного из шеврон­ных фторопластовых колец, опирающихся на пружину. В процессе эксплуатации сальник может быть подтянут гайками 10. Конструк­ция и размеры сальниковой камеры позволяют заменить набивку из фторопластовых колец асбестовой. При этом вместо пружины в сальниковой камере устанавливают промежуточный фонарь, а в резьбовое отверстие сальниковой камеры вместо пробки помещают лубрикатор для подачи смазки.

Под действием давления сжатого воздуха мембрана 1, преодоле­вая противодействие пружины 3, перемещает шток 4 исполнительно­го механизма, шток 12 регулирующего органа и затвор 14. Послед­ний, перемещаясь относительно неподвижных седел 15, изменяет проходное сечение регулирующего органа, а следовательно, и расход проходящей через него среды.

Технологическая обвязка исполнительного устройства 1 при его установке на трубопроводе (рис. 15.1,6) предусматривает запорные задвижки 3 и 4, а также регулирующий вентиль 2 на обводной ли­нии. Такая схема позволяет осуществлять ремонт или замену испол­нительного устройства при направлении потока через обводную линию.

Исполнительные устройства принято классифицировать по раз­личным признакам. В зависимости от вида используемой энергии исполнительные устройства подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические.

По условному давлению исполнительные устройства делятся на группы: низких давлений (до 1,6 МПа); средних давлений (до 16,0 МПа); высоких давлений (до 150 МПа).

В зависимости от конструкции регулирующего органа различают исполнительные устройства: односедельные, двухседельные, треххо­довые, шланговые, диафрагмовые, шаровые, заслоночные и клеточ­ные.

В зависимости от материала основных деталей регулирующего органа выпускают исполнительные устройства: чугунные, стальные (из углеродистой стали), нержавеющие (из нержавеющей стали) и специальные.

В зависимости от расположения входного и выходного патрубков исполнительные устройства могут быть проходными и угловыми.

По виду действия исполнительные механизмы подразделяются на нормально открытые (НО), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проходное се­чение полностью открывается, и нормально закрытые (НЗ), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестано­вочное усилие, проходное сечение полностью закрывается.

По защищенности от воздействия окружающей среды исполни­тельные устройства изготавливают в обыкновенном и взрывозащищенном исполнении.

 

РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ

 

Регулирующим органом называется звено исполнительного уст­ройства, представляющее собой переменное гидравлическое сопро­тивление, которое воздействует на расход среды, изменяя свое про­ходное сечение.

На рис. 15.2 показаны схемы регулирующих органов промыш­ленных исполнительных устройств.

В двухседельных регулирующих органах (рис. 15.2,а) кор­пус имеет два седла, а затвор, проходящий через эти седла, имеет два утолщения с дросселирующими и запирающими поверхностями. Перемещение затвора относительно седел изменяет площадь прохо­да среды. Основным преимуществом двухседельного регулирующего органа является возможность разгрузки затвора от одностороннего действия силы, создаваемой статическим давлением среды. В боль­шинстве случаев на затворах двухседельных регулирующих органов кроме дросселирующих имеются запирающие поверхности, и поэто­му с целью обеспечения возможности сборки и разборки регулирую­щего органа диаметр прохода верхнего седла делают большим, чем диаметр прохода нижнего седла, для того чтобы через него прошло нижнее утолщение затвора. Разные размеры проходов седел созда­ют неуравновешенность сил гидростатического давления среды на затвор, но эта неуравновешенность невелика, так как невелика раз­ность диаметров верхнего и нижнего седел.

Двухседельные регулирующие органы всегда проектируются та­ким образом, чтобы изменение их исполнения с нормально открыто­го (НО) на нормально закрытое (НЗ) осуществлялось лишь пере-монтированием относительного расположения затвора и седел при сохранении всех деталей.

Односедельные регулирующие органы (рис. 15.2,6) могут быть проходными и угловыми. В проходных направление потока сре­ды при входе и выходе не изменяется, а в угловых — при выходе изменяется на 90° по отношению к направлению на входе.

Одностороннее действие статического давления среды создает необходимость применения исполнительных механизмов большой мощности. При движении со стороны, противоположной расположе­нию штока, т. е. «под затвор», она отнимает затвор от седла. Испол­нительный механизм должен создать перестановочное усилие, спо­собное преодолеть силу давления среды на затвор. Это усилие за­висит от перепада давления на затворе и площади прохода в седле.

При движении среды со стороны расположения штока, т. е. «на затвор», давление среды способствует закрытию затвора, прижимая его к седлу. В этом случае при определении силы, действующей на затвор, необходимо кроме статического давления среды учитывать «затягивание» затвора. Последнее объясняется тем, что под затво­ром образуется вакуумная полость, размеры которой в связи с тур­булентностью потока изменяются. Поэтому при неизменном положе­нии затвора его «затягивает» в проход седла с переменной силой.

Односедельные регулирующие органы применяют лишь в случа­ях, когда невозможно применение разгруженных двухседельных ре­гулирующих органов: при незначительных условных проходах тру­бопроводов, при регулировании потоков вязких жидкостей и неодно­родных сред (взвесей, пульп и т. п.), а также в случаях, когда необходимо полностью перекрыть поток при закрытии регулирующе­го органа.

Возможность обеспечения герметичности закрытия прохода явля­ется важным преимуществом односедельных регулирующих органов.

Трехходовые регулирующие органы (рис. 15.2,в) можно при­менять для непрерывного или двухпозиционного регулирования. Для непрерывного регулирования применяют два вида конструкций: раз­делительные и смесительные. Первые предназначены для разделе­ния потока в изменяющихся соотношениях между двумя линиями (А=В+С), как это показано на рис. 15.2,б, вторые применяют в случаях, когда необходимо смешение двух потоков с переменным со­отношением в один (В+С=А). При этом в отличие от конструкции, показанной на рис. 15.2,в меняются направление потока С и конфи­гурация внутренних перегородок корпуса.

Для двухпозиционного регулирования их используют в том слу­чае, когда поток попеременно направляется то в одном, то в другом направлении или когда два потока поочередно двигаются в одном направлении.

В трехходовых регулирующих органах направление потока осу­ществляется таким образом, чтобы исключить явление «затягива­ния» затвора в проходы седел. Конструкция органа выбирается та­кой, чтобы давление среды отжимало каждую из двух дросселирую­щих частей затвора от соответствующего седла (рис. 15.2,в).

Регулирующие заслонки (рис. 15.2,г) изменяют пропуск­ную способность при повороте диска под действием исполнительно­го механизма. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с выше­рассмотренными регулирующими органами.

В регулирующих заслонках нет зон, в которых могут скапливать­ся механические частицы и грязь. Поток регулируемой среды значи­тельно меняет свое направление при проходе через заслонку, поэто­му сопряженные дросселирующие поверхности изнашиваются мень­ше, чем в регулирующих клапанах. Кроме того, заслонки имеют сравнительно несложную конструкцию, небольшие габариты, массу и стоимость.

Основные недостатки регулирующих заслонок — трудность обес­печения плотного перекрытия регулируемого потока; наличие значи­тельных неразгруженных усилий, действующих на диск заслонки.

Неразгруженность диска заслонки объясняется следующими об­стоятельствами. При проходе среды (рис. 15.2,г) давление на обе половины диска уравновешено только в момент полного перекрытия потока. При промежуточных положениях диск разделяет поток на две неравные части: большая часть потока проходит сверху, а мень­шая — снизу. В результате на заслонку будет действовать крутя­щий момент, стремящийся ее закрыть. При переходе диска в диапа­зон угла поворота 60—90°, вследствие неравномерного распределения скорости сверху и снизу заслонки, крутящий момент достигает максимума в зоне 65—75°, а затем резко падает до нуля в момент полного открытия.

До недавнего времени регулирующие заслонки находили весьма ограниченное применение. Однако с увеличением условных диамет­ров трубопроводов применение их следует признать перспективным.

Диафрагмовые регулирующие органы (рис. 15.2,д) применя­ют, как правило, для регулирования потоков агрессивных сред. В них затвор делают в виде упругого элемента — мембраны, кото­рая, перемещаясь под действием исполнительного механизма отно­сительно седла, изменяет площадь прохода среды. Одновременно диафрагма является разделительной перегородкой, отделяющей все подвижные металлические детали от соприкосновения со средой. При этом диафрагму изготовляют из кислотостойкого материала, а на внутреннюю поверхность чугунного корпуса регулирующего ор­гана наносят кислотостойкое покрытие.

Основные преимущества дифрагмовых регулирующих органов — возможность применения дешевых антикоррозионных материалов вместо дорогостоящих нержавеющих сталей, а также отсутствие сальника; недостатки—неразгруженность затвора и ограничения величины давления и температуры регулируемых сред.

В шланговых регулирующих органах (рис. 15.2,е) регулируе­мая среда проходит.через эластичный патрубок (шланг). Затвор представляет собой два валика, между которыми расположен шланг. Валики сближаются или расходятся в плоскости, перпенди­кулярной к оси прохода корпуса. При движении вниз верхнего ва­лика, управляемого штоком регулирующего органа, нижний валик перемещается вверх; при движении верхнего валика вверх нижний валик перемещается в обратном направлении. Передача усилия с верхнего валика на нижний осуществляется с помощью цепной или рычажной передачи.

Шланговые регулирующие органы обладают рядом преимуществ: ввиду прямоточной конструкции исключается застой продукта; дроссельная часть герметично перекрыта и отделена от штока при­вода, что позволяет обойтись без уплотнения штока; обеспечивает­ся надежное перекрытие трубопровода; возможна быстрая и удоб­ная замена эластичного патрубка при выходе его из строя.

Основные недостатки шланговых регулирующих органов — невы­сокая температура регулируемых сред (до 80 °С) и небольшое ра­бочее давление (до 1 МПа); значительная неуравновешенность за­твора; сравнительно небольшой срок службы эластичного патрубка.

Шланговые регулирующие органы могут регулировать потоки самых разнообразных сред. В зависимости от среды их эластичные патрубки изготовляют из бензостойких, маслобензиностойких, хими­чески стойких эрозионных материалов. Применение таких материа­лов вместо дорогостоящих нержавеющих сталей дает большой эко­номический эффект.

Шаровые регулирующие органы (рис. 15.2,ж) оборудованы затвором поворотного типа, выполненным в виде сферы с цилиндри­ческим отверстием. При повороте вала привода сфера поворачива­ется, изменяя сечение прохода. Они конструктивно несложные, на­дежные в эксплуатации, дешевые, легкие и герметичные в широком диапазоне регулируемых сред, условных проходов и рабочих давле­ний. Седла шаровых регулирующих органов изготовляют обычно из эластичного материала (фторопласта, резины, нейлона и т. п.).

Благодаря прямоточной конструкции эти регулирующие органы особенно эффективны при регулировании потоков высоковязких сред, пульп с абразивными частицами и т. п.

Шаровые регулирующие органы могут быть как полнопроходны­ми, так и суженными. Полнопроходные имеют диаметр прохода в ша­ре, равный диаметру прохода присоединительных концов, а сужен­ные—приблизительно на 20% меньше. В некоторых конструкциях выходной патрубок выполняется по форме расширяющейся части сопла Вентури.

В результате незначительного гидравлического сопротивления шаровые регулирующие клапаны монтируют, как правило, на трубо­проводах с меньшим условным проходным диаметром, используя для этой цели конусные переходы.

Клеточные регулирующие органы (рис. 15.2) получают в на­стоящее время все большее распространение. Свое название они по­лучили по характерной для них детали-клетке, внутри которой пе­ремещается затвор. Клетка зажимается между седлом и верхней крышкой корпуса. Шток регулирующего органа жестко связан с затвором. Применяют два варианта конструкции этого устройства. В одном из них профилированные отверстия делают в клетке, а за­твор имеет вид обычного поршня (как показано на рис. 15.2,з). В другом варианте на затворе делаются профилированные отвер­стия, а на клетке — цилиндрические или прямоугольные отверстия.

При перемещении затвора относительно клетки меняется про­ходное сечение регулирующего органа. Благодаря каналам давле­ния среды под затвором и над ним равны и, следовательно, затвор уравновешен.

Отличительная особенность клеточных регулирующих орга­нов — отсутствие резьбовых соединений внутри корпуса, что позво­ляет их ремонтировать без демонтажа корпуса регулирующего ор­гана с трубопровода. Хорошая ремонтопригодность дает при экс­плуатации значительную экономию средств.

Клеточные регулирующие органы могут быть как проходными, так и угловыми.

 

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

 

Исполнительные механизмы предназначены для управления ре­гулирующими органами в соответствии с выходным сигналом регу­лирующего устройства.

В зависимости от вида энергии, используемой для создания пе­рестановочного усилия, исполнительные механизмы подразделены на пневматические, электрические и гидравлические.

Основные преимущества электрических исполнительных механиз­мов — большие перестановочные усилия, значительная (практиче­ски любая) длина хода штока. Недостатки — относительно большая масса; сложность наладки, обслуживания и ремонта; высокая стои­мость; необходимость взрывозащищенного исполнения. Последнее обстоятельство значительно ограничивает область применения элек­трических исполнительных механизмов.

Преимущества пневматических исполнительных механизмов — простота конструкции, низкая стоимость, пожаро- и взрывобезопасность. Недостатки — ограниченность расстояния между исполнитель­ным механизмом и регулирующим устройством, а также необходи­мость создания системы снабжения сжатым воздухом.

Основное преимущество гидравлических исполнительных меха­низмов — большие перестановочные усилия; недостатки — необходи­мость создания специальной гидравлической системы питания и сложность обслуживания.

В связи с этими обстоятельствами в нефтяной и газовой промыш­ленности применяют в основном пневматические исполнительные механизмы, которые и рассмотрим в дальнейшем.

Пневматические исполнительные ме­ханизмы классифицируют по различным признакам.

В зависимости от вида чувствитель­ного элемента, воспринимающего энер­гию сжатого воздуха и преобразующего ее в перестановочное усилие на выход­ном элементе, различают мембран­ные, сильфонные и лопастные исполнительные механизмы.

В зависимости от характера движе­ния выходного элемента существуют прямоходные и поворотные ис­полнительные механизмы.

Конструкция и принцип действия мембраннно-пружинного ис­полнительного механизма были рассмо­трены в §1 настоящей главы (см. рис. 15.1,а). Следует отметить, что подвижная система в такой конструк­ции подвержена значительному влиянию внешних сил. Поэтому для улучшения статических и динамических свойств пневматических ме­ханизмов широко применяют специальные устройства, которые на­зывают позиционерами.

Основная роль позиционера—обеспечение пропорциональной за­висимости между входным (изменение давления сжатого воздуха) и выходным (перемещение штока) сигналами исполнительного меха­низма.

На рис. 15.3 показана схема позиционера типа ПР. Чувствитель­ный элемент его—мембранная сборка двух мембран с различной эффективной площадью. Так как эффективная площадь нижней мембраны 5 больше эффективной площади верхней мембраны 4, то поступающее в мембранную полость давление с выхода регулирую­щего устройства создает усилие, направленное вниз. Это усилие

уравновешивается усилием пружины 6 обратной связи. Позиционер крепится к исполнительному механизму таким образом, что опорный диск последнего непосредственно перемещает шток 5. Пружина об­ратной связи одним концом упирается в гайку 7, а другим—в мем­бранную сборку. С другой стороны к штоку 3 мембранной сборки с помощью пружины 1 прижимается золотник 2 (шарик). Переме­щением гайки 7 относительно штока 8 осуществляется предваритель­ный натяг пружины обратной связи с целью обеспечения начала работы позиционера при минимальном давлении на входе в ка­меру А.

Работа позиционера совместно с исполнительным механизмом сводится к следующему. При увеличении давления в камере А сбор­ка мембран прогибается вниз, преодолевая упругость пружин 6. При этом шарик 2 также опускается, закрывая отверстие между камера­ми В и 5 (последняя соединена с атмосферой). Сжатый воздух из линии питания начинает поступать в рабочую полость исполнитель­ного механизма, что вызовет перемещение опорного диска испол­нительного механизма. В этом случае шток 8 переместится вверх и сожмет пружину 6 обратной связи. В момент, когда эта пружина уравновесит усилие со стороны сборки мембран, нарастание давле­ния в камере Вив рабочей полости исполнительного механизма прекратится. Система придет в состояние равновесия при новом положении мембраны исполнительного механизма (а следовательно, и его штока), пропорциональном приращению давления на выходе регулирующего устройства РУ.

Таким образом, позиционер представляет собой пневматический усилитель с обратной связью по положению выходного штока испол­нительного механизма. Длина необходимого хода штока настраива­ется перемещением гайки 7 относительно пружины обратной связи 6, что приводит к изменению числа рабочих витков.

Применение позиционера уменьшает гистерезис исполнительного механизма, увеличивает его перестановочное усилие (за счет использования увеличенного давления питания позиционера). При настройке автоматического регулятора на небольшое значение коэф­фициента усиления в случае небольшого отклонения текущего зна­чения регулирующего параметра от заданного приращение давления воздуха в рабочей полости исполнительного механизма будет также незначительным. В этих условиях для обеспечения пропорциональ­ного перемещения регулирующего органа необходимо применять позиционер.

Современные позиционеры выпускают в двух исполнениях— блочном и встроенном непосредственно в исполнительный механизм.

На поршневых пневматических исполнительных механизмах уста­навливают так называемые реверсивные позиционеры, которые направляют сжатый воздух питания либо в одну, либо в другую полость поршневого привода в зависимости от знака изменения регулируемого параметра.

В связи с перспективой развития электрических систем управ­ления на базе ЭВМ, а также ограниченностью области применения электрических исполнительных механизмов, представляют интерес смешанные системы. Одним из возможных вариантов реализации такой системы может быть сочетание электрического устройства управления, пневматического исполнительного механизма и электро­пневматического позиционера.

Пневматические исполнительные механизмы часто оснащены ручными дублерами, предназначенными для ручного механи­ческого перемещения затвора регулируемого органа при аварийном отключении сжатого воздуха.

На рис. 15.4 показана схема поршневого поворотного пневмати­ческого исполнительного механизма с реверсивным позиционером. Поршневой привод состоит из цилиндра 1, поршня 2 и штока 3 и преобразует энергию сжатого воздуха в поступательное перемеще­ние штока. Передаточный механизм, включающий щеки 4 и пово­док 5, преобразует поступательное перемещение штока 3 в поворот­ное перемещение поводка 5, а, следовательно, и оси О2, на которой закреплена заслонка 6. Основные элементы позиционера — кула­чок 7, шток 8, пружина обратной связи 9, мембранная сборка 10 и золотник 11.

Схема работает следующим образом. При увеличении давления сжатого воздуха, поступающего от регулирующего устройства (РУ), сборка двух мембран 10 ввиду их различной эффективной площади перемещается влево. Золотник 11 пропускает воздух питания в ниж­нюю полость, соединенную с атмосферой. Поршень 2 поднимается, перемещая вверх шток 3, который, в свою очередь, поворачивает с помощью щек 4 поводок 5 по часовой стрелке. Заслонка 6 закры­вается. При повороте поводка 5 кулачок 7 толкает шток 8 позицио­нера. Пружина обратной связи 9 сжимается, перемешая сборку

мембран 10, а следовательно, и золотник 11 вправо. Последний пере­крывает каналы, соединяющие позиционер с цилиндром привода.

При уменьшении давления сжатого воздуха от регулирующего устройства золотник 11 направляет воздух питания в верхнюю по­лость цилиндра привода, соединяя нижнюю полость с атмосферой. Перемещение поршня 2 вниз вызывает закрытие заслонки.

Установка кулачка 7 позиционера на поводке 5 передаточного механизма обеспечивает пропорциональную зависимость между при­ращением входного пневматического сигнала (от РУ) и углом пово­рота регулирующего органа (в нашем примере—заслонки).

Поршневые поворотные исполнительные механизмы предназна­чены для работы с шаровыми и заслоночными регулирующими орга­нами. Учитывая условия работы этих регулирующих органов на потоке регулируемой среды, конструкцией рассмотренного исполни­тельного механизма предусмотрено создание переменного крутящего момента, зависящего от угла поворота выходного элемента (по­водка 5).

 

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-28

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...