А.С.Плешков. Электрический и пневматический привод трубопроводной арматуры. Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик. Часть 1
Электрический и пневматический приводы, или исполнительные механизмы для трубопроводной арматуры, – это два основных типа приводов, используемых в современных системах автоматического управления.
Автор надеется, что данный материал позволит потребителю сделать осознанный выбор типа привода, принимая во внимание все очевидные и скрытые нюансы и различия.
Большинство видов ТПА (затвор поворотный дисковый, шаровый кран, задвижка или клапан) могут быть укомплектованы и успешно эксплуатироваться как с электрическим, так и с пневматическим приводом или пневматическим цилиндром. Выбор типа привода является принципиальным решением, определяющим свойства и характеристики ТПА на всем протяжении жизненного цикла.
В этом материале будут рассмотрены основные характеристики данных типов приводов и проведен сравнительный анализ.
В этом материале будут рассмотрены основные характеристики данных типов приводов и проведен сравнительный анализ.
Скорость перемещения
Скорость перемещения (перестановки из одного крайнего положения в иное) запорного органа ТПА является одним из определяющих факторов при выборе типа привода. Особенно быстродействие ТПА критично при использовании на трубопроводах, где она призвана перекрытием или открытием проходного сечения предотвратить аварийную ситуацию или минимизировать ее последствия. В стандартном конструктивном исполнении скорость перестановки выходного вала из одного крайнего положения в противоположное у пневматического привода примерно в пять раз быстрее, чем у электрического. Без специального конструктивного исполнения электрического привода, выполненного иначе, чем классическая кинематическая схема «электродвигатель — понижающий редуктор», значительно увеличить скорость у электропривода до сопоставимых с пневмоприводом параметров не получится.
Ряд производителей электроприводов за счет специальных конструктивных решений, таких как использование возвратной пружины, добиваются сопоставимого быстродействия, но это уже не классическая конструкция электропривода, а специальное конструктивное исполнение, зачастую значительно затратнее при производстве.
Частота срабатываний
Электрический двигатель, основной конструктивный элемент электрического привода, имеет ряд присущих ему ограничений. Работа (вращение) и пауза (отсутствие вращения) электродвигателя должны иметь определенную дискретность. Пауза после работы электродвигателя необходима для восстановления номинальной температуры обмоток к исходной температуре после их нагрева при работе.
Режим работы характеризуется ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004). В общем случае и для простоты понимания примем, что после одного цикла перевода ЗЭл из положения «открыто» в положение «закрыто» необходимо обеспечить три цикла паузы. То есть электропривод должен находиться в состоянии покоя. При скорости перестановки 15 секунд и паузе 45 секунд один полный цикл займет 120 секунд. Соответственно, в час электропривод может осуществить лишь 30 циклов.
Для пневмопривода ограничений по частоте работы не существует. Пневмопривод может работать непрерывно. При стандартном времени хода в 5 секунд пневмопривод за час при непрерывной работе может выполнить 360 циклов. Пауза после цикла пневмоприводу не нужна.
Из вышеприведенных расчетов можно сделать вывод о более высокой цикличности пневмопривода. Вывод: для ТПА, требующей по технологии большого количества циклов в единицу времени, логичнее выбрать пневматический привод.
Частота срабатываний у пневмопривода более чем в 10 раз выше, чем у электропривода, за единицу времени.
Ресурс работы
При высокочастотном режиме работы привода ТПА одним из важнейших критериев выбора становится ресурс. В приведенном выше примере пневматический привод за час совершает 360 циклов. Соответственно, при таком режиме работы за пять дней ТПА и привод совершат порядка 40 000 циклов. Данное количество циклов является предельной наработкой на отказ для электропривода.
В электроприводе существует большое количество сопрягаемых деталей, передающих момент от электродвигателя к выходному валу. Ввиду этого наработка на отказ определяется несколькими десятками тысяч циклов (рис. 1).
В пневматическом приводе наиболее подвержены износу лишь уплотнительные кольца на поршнях. В связи с небольшим количеством сопрягаемых деталей количество циклов до отказа определяется несколькими сотнями тысяч (рис. 2).
Еще одно преимущество пневмопривода заключается в относительной простоте замены уплотнений и сравнительно низкой стоимости ремонта по сравнению с заменой изношенных деталей редуктора электропривода.
Нормально открытый или нормально закрытый
Нередко в технологическом процессе для предотвращения негативных последствий в случае аварийной ситуации требуется, чтобы запорный орган трубопроводной арматуры занял одно из крайних положений. Данное требование должно быть выполнено, несмотря на возможное отсутствие воздействия управляющей среды и командных сигналов от АСУ ТП. Из вышеуказанного требования напрашивается вывод о необходимости предусмотреть либо конструктивное решение в приводе, либо заложить данную возможность в локальной системе управления.
В пневматическом приводе данная функция относительно просто решается установкой возвратных пружин в корпус. В случае отсутствия управляющей среды (давления сжатого воздуха КИП) пружины разжимаются и воздействуют на поршень, что, в свою очередь, приводит к его перемещению и вращению выходного вала (рис. 3).
Скорость перемещения (перестановки из одного крайнего положения в иное) запорного органа ТПА является одним из определяющих факторов при выборе типа привода. Особенно быстродействие ТПА критично при использовании на трубопроводах, где она призвана перекрытием или открытием проходного сечения предотвратить аварийную ситуацию или минимизировать ее последствия. В стандартном конструктивном исполнении скорость перестановки выходного вала из одного крайнего положения в противоположное у пневматического привода примерно в пять раз быстрее, чем у электрического. Без специального конструктивного исполнения электрического привода, выполненного иначе, чем классическая кинематическая схема «электродвигатель — понижающий редуктор», значительно увеличить скорость у электропривода до сопоставимых с пневмоприводом параметров не получится.
Ряд производителей электроприводов за счет специальных конструктивных решений, таких как использование возвратной пружины, добиваются сопоставимого быстродействия, но это уже не классическая конструкция электропривода, а специальное конструктивное исполнение, зачастую значительно затратнее при производстве.
Частота срабатываний
Электрический двигатель, основной конструктивный элемент электрического привода, имеет ряд присущих ему ограничений. Работа (вращение) и пауза (отсутствие вращения) электродвигателя должны иметь определенную дискретность. Пауза после работы электродвигателя необходима для восстановления номинальной температуры обмоток к исходной температуре после их нагрева при работе.
Режим работы характеризуется ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004). В общем случае и для простоты понимания примем, что после одного цикла перевода ЗЭл из положения «открыто» в положение «закрыто» необходимо обеспечить три цикла паузы. То есть электропривод должен находиться в состоянии покоя. При скорости перестановки 15 секунд и паузе 45 секунд один полный цикл займет 120 секунд. Соответственно, в час электропривод может осуществить лишь 30 циклов.
Для пневмопривода ограничений по частоте работы не существует. Пневмопривод может работать непрерывно. При стандартном времени хода в 5 секунд пневмопривод за час при непрерывной работе может выполнить 360 циклов. Пауза после цикла пневмоприводу не нужна.
Из вышеприведенных расчетов можно сделать вывод о более высокой цикличности пневмопривода. Вывод: для ТПА, требующей по технологии большого количества циклов в единицу времени, логичнее выбрать пневматический привод.
Частота срабатываний у пневмопривода более чем в 10 раз выше, чем у электропривода, за единицу времени.
Ресурс работы
При высокочастотном режиме работы привода ТПА одним из важнейших критериев выбора становится ресурс. В приведенном выше примере пневматический привод за час совершает 360 циклов. Соответственно, при таком режиме работы за пять дней ТПА и привод совершат порядка 40 000 циклов. Данное количество циклов является предельной наработкой на отказ для электропривода.
В электроприводе существует большое количество сопрягаемых деталей, передающих момент от электродвигателя к выходному валу. Ввиду этого наработка на отказ определяется несколькими десятками тысяч циклов (рис. 1).
В пневматическом приводе наиболее подвержены износу лишь уплотнительные кольца на поршнях. В связи с небольшим количеством сопрягаемых деталей количество циклов до отказа определяется несколькими сотнями тысяч (рис. 2).
Еще одно преимущество пневмопривода заключается в относительной простоте замены уплотнений и сравнительно низкой стоимости ремонта по сравнению с заменой изношенных деталей редуктора электропривода.
Нормально открытый или нормально закрытый
Нередко в технологическом процессе для предотвращения негативных последствий в случае аварийной ситуации требуется, чтобы запорный орган трубопроводной арматуры занял одно из крайних положений. Данное требование должно быть выполнено, несмотря на возможное отсутствие воздействия управляющей среды и командных сигналов от АСУ ТП. Из вышеуказанного требования напрашивается вывод о необходимости предусмотреть либо конструктивное решение в приводе, либо заложить данную возможность в локальной системе управления.
В пневматическом приводе данная функция относительно просто решается установкой возвратных пружин в корпус. В случае отсутствия управляющей среды (давления сжатого воздуха КИП) пружины разжимаются и воздействуют на поршень, что, в свою очередь, приводит к его перемещению и вращению выходного вала (рис. 3).
Реже, но все же встречается схема с так называемой «пневмопружиной». В данном техническом решении при нормальном режиме работы привода используется штатная пневматическая система с воздухом КИП. В случае аварийной ситуации и отсутствия штатного воздуха КИП в системе происходит автоматическое переключение на локальную систему управления. Привод, а как следствие, и запорный элемент ТПА занимают предопределенное крайнее положение за счет воздуха из ресивера локальной системы управления.
Свое название — «пневмопружина» данная система получила за аналогию с физическими пружинами, используемыми в корпусе пневмопривода. Наиболее часто данная система используется в управлении не поворотными приводами, а правоходными пневматическими цилиндрами, в связи со сложностью использования в них классических механических возвратных пружин (рис. 4).
В электрическом приводе решение данной задачи выглядит сравнительно сложнее. Наиболее распространенным решением является установка аккумуляторных источников электрической энергии. При отсутствии штатного напряжения за счет внешних или встроенных в электрический привод батарей происходит аварийное закрытие или открытие привода.
Вывод
Для использования в технологических системах, в которых на ТПА возлагается функция предотвращения аварийной ситуации и для которых критически важна скорость закрытия (или открытия) запорного элемента, применение пневматического привода более оправдано.
Также использование пневматического привода с возвратными пружинами рекомендуется в системах, где необходимо гарантированное перемещение запорного элемента ТПА в предопределенное технологическим процессом положение при прекращении подачи управляющей среды.
В технологических системах с высокой частотой (количеством срабатываний в единицу времени) также использование пневмопривода предпочтительнее.
Продолжение следует.
Свое название — «пневмопружина» данная система получила за аналогию с физическими пружинами, используемыми в корпусе пневмопривода. Наиболее часто данная система используется в управлении не поворотными приводами, а правоходными пневматическими цилиндрами, в связи со сложностью использования в них классических механических возвратных пружин (рис. 4).
В электрическом приводе решение данной задачи выглядит сравнительно сложнее. Наиболее распространенным решением является установка аккумуляторных источников электрической энергии. При отсутствии штатного напряжения за счет внешних или встроенных в электрический привод батарей происходит аварийное закрытие или открытие привода.
Вывод
Для использования в технологических системах, в которых на ТПА возлагается функция предотвращения аварийной ситуации и для которых критически важна скорость закрытия (или открытия) запорного элемента, применение пневматического привода более оправдано.
Также использование пневматического привода с возвратными пружинами рекомендуется в системах, где необходимо гарантированное перемещение запорного элемента ТПА в предопределенное технологическим процессом положение при прекращении подачи управляющей среды.
В технологических системах с высокой частотой (количеством срабатываний в единицу времени) также использование пневмопривода предпочтительнее.
Продолжение следует.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 1 (88) 2025