НПАА, А. С. Плешков, Тайны закулисья, или Простота рейки. Особенности применения кулисного и реечного пневмоприводов для трубопроводной арматуры при реализации функции регулирования
От редакции:
В данном номере журнала мы продолжаем серию публикаций по тематике приводов, исполнительных механизмов и систем автоматики, применяемых для управления трубопроводной арматурой. По мнению большого количества представителей отрасли, в области эксплуатации трубопроводной арматуры исторически произошло разделение на несколько направлений — физически это разделение происходит по присоединительным фланцам узла «арматура-привод». Эксплуатацией арматуры традиционно занимаются механики, котельщики и многие другие специалисты. Ответственны за приводы (в большинстве случаев) электромеханики и электрики. Системами автоматики, в свою очередь, занимаются КИПовцы и «автоматчики». Несмотря на то, что привод, как минимум, не менее важный и ответственный узел любой трубопроводной арматуры, проблематике правильного подбора и безотказной эксплуатации приводов уделяется недостаточно внимания в специализированных изданиях и различной справочной литературе. Редакция «Вестника» в меру своих сил постарается уменьшить данный перекос и продолжит публикацию статей и обзоров, посвященных исполнительным механизмам и системам управления трубопроводной арматурой.

Традиционно наряду с электрическими исполнительными механизмами применяются пневматические приводы. Еще несколько десятков лет назад пневматические исполнительные механизмы применялись в основном на клапанах и имели прямоходную конструкцию. Необходимость в четвертьоборотных приводах появилась одновременно с приходом на рынок России четвертьоборотной арматуры. В данной статье технический эксперт НПАА Андрей Сергеевич Плешков рассмотрит различные конструкции пневмоприводов для четвертьоборотной арматуры и расскажет об особенностях эксплуатации данных конструкций в различных режимах. Надеемся, что данный материал, подготовленный автором на основании своего практического инженерного опыта, будет полезен нашим читателям.

Четвертьоборотные поворотные дисковые затворы в силу простоты конструкции, малого числа конструктивных деталей, невысокой массы и габаритов стали достаточно популярны как вид промышленной трубопроводной арматуры. Затворы применяются как в качестве запорной, так и в качестве регулирующей арматуры. Но эксплуатация затвора сопряжена с рядом технических сложностей, вызванных нелинейностью расходных характеристик среды при регулировании поворотным дисковым затвором. На рис. 1 представлены графические типовые расходные характеристики поворотного дискового затвора. При диапазоне угла открытия диска затвора (от 0 до 25 и от 75 до 90 градусов) характеристики имеют крайне нелинейную зависимость расхода от угла открытия. Поэтому регулирование у затворов возможно только в диапазоне угла открытия диска от 26 до 74 градусов.

Для четвертьоборотной арматуры, в том числе для затворов, наиболее часто применяются четвертьоборотные пневмоприводы реечного или кулисного типа. На рис. 2 приведены графики зависимости момента пневмопривода от угла поворота четвертьоборотного пневмопривода двустороннего действия. На графике видно, что пневмопривод реечного типа имеет постоянную зависимость момента от угла (рис. 3), в то время как у кулисного данная зависимость изображена в виде параболы. Это связано с конструктивным исполнением кулисного пневмопривода и основывается на зависимости М=F*L, где М — момент, F — сила (давление воздуха на поршень), L - плечо. В связи с тем, что конструкция кулисного привода имеет постоянную составляющую силы и переменное значение длины плеча в зависимости от положения запорного (или регулирующего) органа, моментная характеристика имеет нелинейный характер. Основная идея, заложенная при проектировании и разработке пневмопривода кулисного типа, состояла в том, чтобы получить моментную характеристику пневмопривода, наиболее близко повторяющую моментную характеристику запорного органа четвертьоборотной арматуры, убрав тем самым избыточный запас по моменту пневмопривода над арматурой в диапазонах угла поворота запорного органа от 15 до 75 градусов.

Для применения с запорной четвертьоборотной арматурой данная задача была относительно успешно решена: из-за изменения длины рычага от угла поворота моментная характеристика приобрела вид параболы и более точно повторяет моментную характеристику четвертьоборотной арматуры (рис. 4). При совмещении графиков расходных характеристик и момента пневмоприводов двух типов (рис. 5) можно увидеть технический дуализм проблематики регулирования четвертьоборотной арматуры с помощью пневмоприводов. В диапазоне регулирования от 26 до 74 градусов, где возможно регулирование, и расходные характеристики от изменения угла поворота регулирующего элемента относительно пропорциональны, зависимость момента от угла поворота кулисного пневмопривода, наоборот, крайне нелинейна.

При изменении управляющего сигнала, приходящего на позиционер, выходной вал пневмоприводов кулисного и реечного типа и, соответственно, регулирующий орган арматуры достигает необходимого значения по графику, приведенному на рис. 6.

КАК ВИДНО ИЗ ГРАФИКА:
1. Скорость реакции системы на изменения управляющего сигнала у реечного привода гораздо выше.

2. Амплитуда колебаний при достижении необходимого установившегося значения сигнала у реечного привода гораздо больше.

Рассмотрим предметно ситуацию. На позиционер поступает сигнал 13 mA вместо 12 mA. Запорный орган должен изменить положение — вместо 45 градусов занять положение 50-65 градусов. Диск затвора поворотного под управлением кулисного пневмопривода совершит несколько колебаний около значения 50-65 градусов с достаточно большой амплитудой. Динамическая характеристика переходного процесса будет нестабильной, а сам переходный процесс затянут. На протяжении переходного процесса расход среды будет нестабильным. Если в технологическом процессе при изменении расхода среды требуется быстродействие, или изменение расхода среды требуется часто, то вполне вероятно, что добиться необходимого результата не удастся. Это связано с тем, что до получения установившегося значения 50-65 градусов контроллер системы получит по обратной связи данные о недостатке (либо переизбытке) расхода среды и выдаст новое значение управляющего сигнала на позиционер. Потом данный цикл повторится еще раз. Таким образом, система регулирования выйдет из стабильного состояния — начнется ее раскачивание. Физически мы будем наблюдать постоянное изменение управляющего сигнала от контроллера, постоянную работу пневмопривода и постоянное перемещение диска затвора возле необходимой точки регулирования.

Таким образом, применение затвора поворотного дискового под управлением кулисного пневмопривода в качестве регулирующей арматуры оправданно только со следующими техническими ограничениями:

1. Процесс не требует частого изменения регулируемого параметра (расхода).

2. При необходимости изменения регулируемого параметра (расхода) процесс не требует быстродействия.

3. Процесс допускает значительное превышение значения регулируемого параметра (расхода) при переходном процессе.

При использовании затвора поворотного дискового под управлением реечного пневмопривода ограничения гораздо менее жесткие по причине более короткого времени протекания переходного процесса.

Применение пневмоприводов с четвертьоборотной арматурой наряду с очевидной простотой инженерного решения скрывает в себе ряд неочевидных на первый взгляд ограничений. Традиционно заметим, что именно понимание требований к техническому процессу и комплексный анализ эксплуатационных задач позволяют принять верное решение о применении того или иного типа исполнительного механизма в каждом конкретном случае.