Urządzenia nastawcze

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Urządzenia nastawcze Laboratorium automatyki (A-V) Opracował: dr inż. Leszek Remiorz Sprawdził: dr inż. Jerzy Widenka Zatwierdził: dr hab. inż. Janusz Kotowicz Urządzenia nastawcze 1

2 Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zagadnień dotyczących urządzeń nastawczych i zaworów regulacyjnych. Urządzenia nastawcze 2

3 Schemat ogólny urządzenia nastawczego... 4 Zawory regulacyjne... 5 Definicja współczynnika K v... 6 Charakterystyki zaworów... 6 Charakterystyka otwarcia zaworu... 6 Charakterystyka wewnętrzna... 7 Charakterystyka robocza... 7 Rozwiązania konstrukcyjne zaworów... 7 Zawory dwupołożeniowe... 8 Zawór o obrotowym ruchu trzpienia... 9 Zawór ciśnieniowo nieodciążony... 9 Zawór ciśnieniowo-odciążony... 9 Zawór kątowy Zawór trójdrogowy Urządzenia pomocnicze Siłownik membranowo-sprężynowy Siłownik tłokowy Ustawnik pozycyjny Urządzenia nastawcze 3

4 Schemat ogólny urządzenia nastawczego Urządzenia nastawcze służą do zamiany sygnału z regulatora obiektu na sygnał wielkości nastawczej obiektu. Sygnał regulatora obiektu może być sygnałem elektrycznym, pneumatycznym, lub magnetycznym czy hydraulicznym i jest zamieniany na np. stopień otwarcia zaworu, kąt obrotu przepustnicy, zmianę prędkości obrotowej itp. W urządzeniu nastawczym można wyodrębnić dwa zasadnicze podzespoły: wykonawczy (siłownik) oraz nastawiający (nastawnik). Schemat blokowy urządzenia nastawczego (nastawnika) przedstawia rys. 2. Zasilanie Zadajnik zdalny Wzmacniacz siłownika Wskaźnik położenia Regulator Ustawnik pozycyjny Siłownik Przekładnia Nastawnik Zawór Zadajnik lokalny Przekaźnik blokowy Ogranicznik położenia Rysunek 1. Urządzenie nastawcze Urządzenie nastawcze może być wyposażone dodatkowo w następujące elementy: ustawnik pozycyjny (pozycjoner), zadajnik położenia, przekaźnik, ogranicznik z wyłącznikami krańcowymi, wskaźnik położenia, wzmacniacz siłownika. Ustawnik pozycyjny stanowi pomocniczy regulator położenia trzpienia z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Zastosowanie ustawnika zmniejsza znacznie histerezę nastawnika oraz poprawia liniowość charakterystyki układu. Zadajnik położenia umożliwia przemieszczenie siłownika w warunkach pracy bez regulatora. Przekaźnik położenia jest urządzeniem blokującym siłownik w momencie przekroczenia ustalonych parametrów obiektu czy też awarii. W siłownikach pneumatycznych stosuje się odcięcie dopływu powietrza w komorze, a w elektrycznych zahamowanie i unieruchomienie wirnika. Ograniczniki położenia stosowane są w siłownikach elektrycznych zabezpieczając silnik elektryczny przed zniszczeniem. W Urządzenia nastawcze 4

5 krańcowych położeniach wyłączniki powodują odłączenie i zatrzymanie silnika elektrycznego. Ograniczniki mogą również być stosowane w siłownikach pneumatycznych i hydraulicznych. Wskaźnik położenia podaje informacje o stopniu otwarcia stawidła nastawnika. W zależności od rodzaju dostarczonej energii zasilającej rozróżnia się siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne oraz elektryczne. Nastawniki są częścią układu regulacji, która wpływa bezpośrednio na przebieg procesu regulowanego przez zmianę dopływu strumienia materii bądź energii. Najczęściej stosowanymi nastawnikami są urządzenia dławiące przepływ czynnika, a więc: zawory, zasuwy, przepustnice itd. Zawory regulacyjne Typowy przebieg zmian ciśnienia płynu wzdłuż drogi przepływu płynu jest przedstawiony na rysunku 10. Rysunek 1. Rozkład ciśnienia wzdłuż drogi przepływu. Zmiany parametrów procesów energetycznych często wymagają zmian strumieni płynów wzdłuż drogi przepływu. Zmiany wartości strumieni odbywają się poprzez zmianę prędkości obrotowej maszyn (pomp, wentylatorów) lub poprzez dławienie strumienia przepływu (za pomocą zaworów, klap, kierownic). Ilustracja do tych dwu metod jest przedstawiona na rysunku 2. Rysunek 2. Zmiana wydajności poprzez zmianę charakterystyki rurociągu i pompy. Urządzenia nastawcze 5

6 Dławienie strumienia pociąga za sobą konieczność zastosowania urządzenia nastawczego z zaworem regulacyjnym. Podstawowe równania przepływu cieczy przez zawory regulacyjne ważne dla R e > 4000 ma następującą postać: V = K v p ρ w z Gdzie: V strumień płynu, K v współczynnik przepływu, p z spadek ciśnienia na zaworze, ς w względna gęstość przepływającej cieczy w stosunku do gęstości wody. Definicja współczynnika K v Współczynnik K v zdefiniowany został jako natężenie przepływu wody o temperaturze 4 o C zachodzące przy różnicy ciśnień równej 1kG/cm 2. K v(100) = V (100) ρ w p 100 Gdzie: K v(100) wartość współczynnika przy całkowitym otwarciu zaworu, p z(100) wartość spadku ciśnienia na zaworze dla maksymalnego przepływu płynu. Charakterystyki zaworów Zawory opisywane są najczęściej trzema typowymi charakterystykami. Są to charakterystyki: otwarcia, wewnętrzne i robocze. Charakterystyka otwarcia zaworu Jest to zależność pomiędzy powierzchnią otwarcia zaworu a położeniem grzybka. Spotyka się najczęściej dwa rodzaje charakterystyk otwarcia: liniową i stałoprocentową. Charakterystyka liniowa - powierzchnia otwarcia zaworu jest wprost proporcjonalna do położenia grzybka A = A h max h max *100% Urządzenia nastawcze 6

7 Charakterystyka stałoprocentowa (logarytmiczna) przesunięcie grzybka zaworu o h powoduje stałą procentową zmianę powierzchni otwarcia zaworu. A A h ( n h e max 100%) = ( n 100%) max e Gdzie: A- powierzchnia otwarcia, h- położenie grzybka, n współczynnik stały. Charakterystyka wewnętrzna Jest to zależność pomiędzy strumieniem płynącego płynu a stopniem otwarcia grzybka zaworu w zakresie od 0-100% zachodząca przy stałym spadku ciśnienia. Charakterystyka robocza Ten typ charakterystyki uwzględnia zmiany spadku ciśnienia na zaworze w zależności od strumienia płynu oraz oporów instalacji, w której zawór został zamontowany. Zawory regulacyjne wykonane są w dwóch odmianach jako zawory posiadające charakterystykę liniową lub stałoprocentową (rys.3). Rysunek 3. Charakterystyki robocze zaworu liniowego i stałoprocentowego. Rozwiązania konstrukcyjne zaworów Zawory, ze względu na pełnioną funkcję, dzielimy na dwie zasadnicze grupy tj.: regulacyjne i odcinające. Podział ze względu na cechy konstrukcyjne to: zawory, klapy i zasuwy. Przegląd typowych rozwiązań konstrukcyjnych przedstawiono na rysunku 11. Urządzenia nastawcze 7

8 Rysunek 4. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych zaworów. Ze względu na bardzo dużą liczbę typów, rodzajów i rozwiązań konstrukcyjnych, przedstawienie wszystkich jest niemożliwe. Na rysunku 4 przedstawiono kilka typowych rozwiązań. Najczęściej stosowane są zawory o posuwistym (ewentualnie obrotowym) ruchu trzpienia. Zawory dwupołożeniowe Zawory dwupołożeniowe charakteryzują się dużym przyrostem K v dla niewielkich skoków grzybka zaworu w początkowej części charakterystyki. Znajdują one zastosowanie jako zawory bezpieczeństwa, szybko-zamykające itp. Urządzenia nastawcze 8

9 Zawór o obrotowym ruchu trzpienia Rysunek 5. Zawór o obrotowym ruchu trzpienia Zawór ciśnieniowo nieodciążony Zawór ciśnieniowo nieodciążony (rys.7) często stosowany ze względu na prostotę budowy. Rysunek 6. Zawory: ciśnieniowo nieodciążony i odciążony Używany jest zazwyczaj do małych średnic rurociągów, i niezbyt wysokich ciśnień statycznych. Wymaga dużych sił nastawczych, a więc stosowania siłowników o większej mocy. Zawór ciśnieniowo-odciążony Zawór ciśnieniowo-odciążony (rys.6), budowany zwykle jako dwusiedliskowy pozwala na stosowanie mniejszych sił nastawczych (mniejsza moc siłowników) wymaga dokładnej konstrukcji i wykonania. Urządzenia nastawcze 9

10 Zawór kątowy Zawór kątowy (rys.7) stosowany jest zwykle do wysokich i bardzo wysokich ciśnień, daje duże spadki ciśnień w zaworze. Rysunek 7. Zawór kątowy i schemat zaworu trójdrogowego Zawór trójdrogowy Zawory te mają trzy przyłącza umożliwiające przepływ czynnika w dwóch kierunkach. Mogą one być stosowane zarówno do mieszania jak i do rozdzielania strumieni. Rysunek 8. Zawór trójdrożny Zawór trójdrogowy (rys.8) stosowany w układach mieszania i rozdzielania płynów, zastępuje w działaniu dwa zawory przelotowe. Grzybki zaworów trójdrogowych mogą posiadać charakterystykę stałoprocentową lub liniową. W wykonaniach specjalnych charakterystyki te mogą być niesymetryczne. Urządzenia pomocnicze Siłownik membranowo-sprężynowy Zasada działania siłownika membranowo-sprężynowego przedstawia się następująco: Membrana siłownika pod wpływem ciśnienia sprężonego powietrza naciska na talerz i pokonuje opór przeciwdziałającej sprężyny przesuwa trzpień siłownika. Urządzenia nastawcze 10

11 Siłowniki. membranowo-sprężynowe wykonywane zwykle w dwóch rodzajach: jako proste i odwrócone (rys.9). Rysunek 9. Siłownik membranowy prosty i odwrócony W siłownikach prostych sprężone powietrze doprowadza się do komory ponad membraną. Wzrost ciśnienia powietrza powoduje przesunięcie trzpienia siłownika w dół. W siłownikach odwróconych sprężone powietrze doprowadza się pod membraną i przy wzroście ciśnienia powietrza trzpień siłownika jest przesuwany w górę. Pełny skok trzpienia siłownika osiągnięty zostanie przy zmianie ciśnienia powietrza sterującego p w odpowiadającego normalnemu zakresowi sygnału pneumatycznego 20 do 100 kn/m 2 (lub podwyższonemu od 20 do 200 kn/m 2 ). Celem zmniejszenia gabarytów siłownika przy zachowaniu warunku uzyskania żądanej mocy, stosuje się czasami wyższe od normalnych wartości sygnału sterującego i zasilającego. Zwykle przy normalnym zakresie zmian ciśnienia sterującego powietrze zasilające jest dostarczane pod ciśnieniem p z = kn/m 2. Siłownik tłokowy Przykład pneumatycznego siłownika tłokowego, w którym sygnał sterujący p w zmienia się w zakresie normalnym, zaś wartość ciśnienia zasilającego p z może przyjmować wartości od 0,6-1,0 MN/m przedstawiony jest na rys.10. Urządzenia nastawcze 11

12 Rysunek 10. Pneumatyczny siłownik tłokowy Siłowniki posiadają zwykle charakterystyki liniowe, histereza nie przekracza 5%. Ustawnik pozycyjny Głównymi przyczynami histerezy są duże opory w dławnicy, bezwładność poruszających się elementów siłownika oraz skończona prędkość dopływu powietrza sterującego i zasilającego. Poprzez zastosowanie regulatora położenia trzpienia zaworu, czyli ustawnika pozycyjnego można znacznie zmniejszyć histerezę (rys.11). Rysunek 11. Schemat ustawnika pozycyjnego. 1- siłownik mieszkowy, 2-sprężyna, 3-dźwignia sprzężenia zwrotnego, 4-łącznik, 5-dźwignia, 6-trzpień zaworu, 7-zawór iglicowy Dobór wielkości siłownika zaworu przeprowadza się przez porównanie spadku ciśnienia w zaworze p ze spadkiem ciśnienia podawanego w odpowiednich katalogach wytwórców. Ustawniki pozycyjne zaleca się stosować między innymi w następujących przypadkach: przy spadkach ciśnień na stawidle p > 1,4 MN/m2 Urządzenia nastawcze 12

13 dla zaworów o średnicy dn>100mm w warunkach instalowania zaworów dla mediów o temperaturze powyżej 230 C lub poniżej 18 C- oraz mediów silnie agresywnych gdy czynnik regulowany posiada dużą zawartość zawiesin ciał stałych dla zaworów trójdrogowych. Urządzenia nastawcze 13