Регулирующие шаровые краны

Что такое дросселирующий шаровой клапан?

Обычный отсечной шаровой кран рассчитан на минимальное сопротивление в полностью открытом положении и на герметичность в закрытом. Если такой кран эксплуатировать в промежуточных положениях, расход резко возрастает уже в первые градусы открытия, седла оказываются под воздействием высокоскоростного потока, а контур регулирования может потерять устойчивость. Дросселирующий шаровой клапан — это регулирующий клапан, спроектированный с учетом именно этих проблем.

Шары клапанов, предназначенных для дросселирования, имеют профилированный V-образный вырез. При повороте шара проходное сечение увеличивается постепенно, начиная с небольшого отверстия, поэтому расход меняется в зависимости от угла открытия пропорционально и предсказуемо. Шлицевые соединения между валом и шаром, а также между валом и приводом позволяют передавать на шар без потерь даже небольшие изменения управляющего сигнала.

Такие клапаны подходят как для непрерывного дросселирования, так и для автоматизированной работы в режиме «открыто–закрыто»; они сочетаются с широким набором поворотных приводов и ручных дублеров. Благодаря этому одна и та же платформа клапана может обслуживать и точки регулирования, и точки отсечения на предприятии, а номенклатура запасных частей сокращается. Для проектировщика это означает единый подход к подбору и обслуживанию арматуры на разных участках установки.

Как шаровой клапан дросселирует поток?

Дросселирование — это цепочка, в которой управляющий сигнал преобразуется в положение клапана, а положение клапана — в расход. Каждое звено этой цепочки влияет на качество регулирования.

1.      Измерение и решение регулятора: Датчик расхода, давления, уровня или температуры измеряет технологический параметр; регулятор формирует сигнал положения клапана в соответствии с уставкой.

2.      Позиционирование: Цифровой контроллер клапана или позиционер преобразует сигнал в давление воздуха на приводе и контролирует положение шара по обратной связи.

3.      Передача движения без зазоров: Привод поворачивает шар через шлицевой вал. Шлицевые соединения и зажимной рычаг привода уменьшают люфт, так что даже небольшие изменения сигнала доходят до шара.

4.      Профилированный поток: V-образный вырез формирует проходное сечение, которое плавно растет по мере открытия; модифицированная равнопроцентная характеристика обеспечивает тонкое регулирование, особенно при малых открытиях.

Почему важна характеристика

Характеристика клапана задает зависимость коэффициента пропускной способности от угла открытия шара. Характеристики равнопроцентного типа помогают линеаризовать рабочую характеристику при наличии потерь давления в системе, и контуру проще одинаково реагировать при разных нагрузках. Отношение максимального коэффициента пропускной способности к минимальному используемому называется диапазоном регулирования и показывает, в каком широком интервале расходов клапан способен регулировать.

Кавитация и шум при дросселировании

При дросселировании перепад давления сосредоточен в узком зазоре между шаром и уплотнением. В жидкостях это может привести к кавитации, в газах — к аэродинамическому шуму. Поворотный аттенюатор снижает эти эффекты как в жидкостных, так и в газовых средах; при сильной кавитации в жидкостях применяют антикавитационную вставку, а в газе и паре — шумоподавляющую. При установленном аттенюаторе V-образный вырез перестает быть точкой эрозии от высокоскоростного потока.

Особенности, определяющие качество дросселирования

·         Профилированный V-образный вырез: Точное профилирование выреза дает модифицированную равнопроцентную характеристику.

·         Шлицевое соединение вала: Шлицевой приводной вал и зажимной рычаг привода сводят люфт к минимуму.

·         Уплотнение с разгрузкой по давлению: Прецизионно обработанные детали и уплотнения с разгрузкой по давлению обеспечивают плавное и точное перемещение шара.

·         Вариант с малым вырезом: Шар с малым вырезом для клапанов 1 in при очень малых расходах; есть варианты выреза с меньшей и большей пропускной способностью.

·         Перестраиваемое на месте действие: С поворотным мембранным или поршневым приводом действие можно переключить на объекте между схемами «нажатие вниз — закрытие» и «нажатие вниз — открытие».

·         Вставки для тяжелых условий: Поворотный аттенюатор, антикавитационная и шумоподавляющая вставки против кавитации и шума, возникающих при дросселировании.

·         Самоочищающееся уплотнение: Уплотнение постоянно скользит по поверхности шара и очищает ее, поэтому при дросселировании отложения не образуются.

Технические характеристики

Приведенные значения относятся к шаровым регулирующим клапанам с V-образным вырезом, применяемым в режиме дросселирования.

Коэффициенты пропускной способности, их отношение и уровни шума определяются по отдельным табличным данным для каждого размера и исполнения внутренних элементов.

Основные преимущества

·         Устойчивый контур регулирования: Профилированный шар и малый люфт уменьшают колебания и вариативность процесса.

·         Дросселирование и отсечение в одном клапане: Один и тот же клапан подходит для непрерывного регулирования и автоматизированного отсечения.

·         Точность на малых расходах: Шар с малым вырезом позволяет регулировать малые расходы.

·         Пропускная способность поворотного клапана: Прямоточный канал обеспечивает высокую пропускную способность для данного диаметра трубопровода.

·         Подходит для сложных условий: С антикавитационными и шумоподавляющими вставками применяется для дросселирования при большом перепаде давления.

Области применения

Дросселирующие шаровые клапаны служат исполнительным элементом контуров регулирования расхода, давления, уровня и температуры в технологических отраслях.

Технологические жидкости

Регулирование расхода и уровня чистых и загрязненных жидкостей; на линиях с риском кавитации — с антикавитационной вставкой.

Пар и газ

Регулирование давления и расхода на паропроводах и газопроводах; в точках с жесткими требованиями по шуму — с шумоподавляющей вставкой.

Суспензии

Дросселирование волокнистых суспензий без засорения.

Дозирование малых расходов

Точное регулирование очень малых расходов с шаром с малым вырезом.

Критерии выбора для режима дросселирования

В режиме дросселирования клапан следует выбирать как часть контура регулирования: клапаны, подобранные только по диаметру трубопровода, обычно оказываются завышенными по размеру и работают при малых открытиях.

Требования к регулированию

·         Минимальный, нормальный и максимальный расход

·         Целевое открытие шара при нормальном расходе

·         Требуемый диапазон регулирования

·         Ожидаемые быстродействие и точность контура

Технологические условия

·         Перепад давления и риск кавитации / шума

·         Содержание твердых частиц и волокон

·         Уплотнение, соответствующее температуре процесса

·         Возможность обратного потока

Привод и позиционирование

·         Тип привода и запас по крутящему моменту

·         Положение при отказе

·         Потребность в цифровом контроллере клапана и диагностике

·         Необходимость ручного дублера

Стандарты

Основные стандарты, применимые к дросселирующим шаровым регулирующим клапанам:

Применимые стандарты необходимо подтвердить для конкретной серии клапанов.

Подход TLY Enerji к контуру регулирования

Многие проблемы с качеством дросселирования вызваны не самим клапаном, а завышенным размером, неподходящей характеристикой или несогласованностью привода и контроллера. Поэтому TLY Enerji рассматривает выбор дросселирующего шарового клапана в масштабе всего контура регулирования.

При расчете по технологическим данным открытие при нормальном расходе, диапазон регулирования и риск кавитации и шума оцениваются совместно. На основе этого анализа подбираются привод, цифровой контроллер клапана и при необходимости вставка для тяжелых условий. Если в действующих контурах наблюдаются колебания или неустойчивость, мы проверяем размер и характеристику клапана и готовим предложения по улучшению. В план проекта также включается поддержка при пусконаладке, чтобы совместно проверить обратную связь по положению и отклик контура.

·         Расчет с ориентацией на контур

·         Выбор характеристики и внутренних элементов

·         Подбор привода и цифрового контроллера клапана

·         Анализ работы действующих контуров

·         Координация поддержки при пусконаладке

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать обычный шаровой кран для дросселирования?

Если стандартный отсечной шаровой кран работает в промежуточных положениях, расход резко возрастает в первые градусы открытия, а седла подвергаются воздействию высокоскоростного потока и могут быстро изнашиваться. Поэтому для непрерывного дросселирования следует выбирать шаровые клапаны регулирующего исполнения с профилированным шаром и малым люфтом.

Что такое люфт и почему он важен?

Люфт — это зазоры и податливость, из-за которых привод перемещается, а положение шара не меняется. Чем больше люфт, тем чаще небольшие изменения управляющего сигнала не доходят до клапана, и контур может начать колебаться. Шлицевые соединения вала и зажимные рычаги привода уменьшают эти зазоры и повышают точность регулирования.

Какую характеристику имеют дросселирующие шаровые клапаны?

Профилированные шары с V-образным вырезом имеют модифицированную равнопроцентную характеристику. При такой характеристике расход растет медленно при малых открытиях и быстрее — при больших. С учетом потерь давления в системе она помогает сделать рабочую характеристику более сбалансированной.

Можно ли шаровым клапаном регулировать очень малые расходы?

Для клапанов 1 in предусмотрен вариант шара с малым вырезом, позволяющий точно регулировать очень малые расходы. Доступны шары из хромированной нержавеющей стали, литого кобальтового сплава и керамики; керамический вариант ограничен температурой 93 °C. Варианты выреза с меньшей и большей пропускной способностью также рассматриваются в рамках проекта.

Что делать, если при дросселировании возникает кавитация?

Сначала оцените риск кавитации по перепаду давления и свойствам жидкости. При наличии риска можно применить поворотный аттенюатор, а при сильной кавитации — антикавитационную вставку; в экстремальных условиях она позволяет достичь Kc 1,0. Для эффективной работы клапан нужно установить так, чтобы поток входил в прямом направлении.

Может ли один и тот же клапан работать и на дросселирование, и на отсечение?

Да. Шаровые регулирующие клапаны с V-образным вырезом можно использовать как для высококачественного дросселирования, так и в режиме «открыто–закрыто» с различными поворотными приводами и ручными дублерами. Для отсечной функции требуемый класс герметичности следует оценивать отдельно вместе с выбором уплотнения.