Трубопроводная арматура с электроприводом

Трубопроводная арматура — это специальные устройства, которые устанавливаются на трубопроводах, агрегатах или сосудах и предназначены для регулирования потока рабочей среды, находящейся в разном агрегатном состоянии (жидком, газообразном, суспензии и т. п.) путём изменения площади проходного сечения.

Сфера применения

Сегодня мировые тенденции развития промышленности направлены на автоматизацию управления технологическими процессами. Трубопроводная арматура с электроприводом обладает большими возможностями в плане электронного управления, позволяющими в любой момент времени оценить ее состояние и работоспособность. В таких конструкциях запорный элемент арматуры приводится в движение приводом. Он может не только открыть или закрыть арматуру, но и зафиксировать затвор для обеспечения герметичности, а также в случае его заклинивания – отключить электродвигатель.

Трубопроводная арматура с электроприводом применяется как в сложных и разветвленных промышленных трубопроводных системах, так и в бытовых системах водоснабжения и отопления.

Использование электропривода обеспечивает повышение качества производственного процесса, а также возможность диагностики и предупреждения неисправностей арматуры, так как позволяет осуществлять непрерывный контроль значений крутящего момента. Благодаря этому еще на начальном этапе выявляются любые изменения в работе арматуры (например, износ или инерционность) и проводится своевременное профилактическое техобслуживание или ремонт.

Классификация электроприводов трубопроводной арматуры

Приводы классифицируются по нескольким признакам:

1. По движению выходного звена:
   
   • поступательные (или прямоходные);
   • вращательные, которые в свою очередь подразделяются по количеству оборотов шпинделя на:
     
     • неполноповоротные (однооборотные);
     • многооборотные (имеющие более одного оборота выходного кинематического звена).
Прямоходные приводы применяют для автоматизации вентилей, имеющих гладкий шток, или регулирующих клапанов. Многооборотным электроприводом чаще всего управляются клиновые или шиберные задвижки, запорные клапаны. Неполноповоротные электроприводы, поворачивающие рабочее звено арматуры на 90°, применяют для управления поворотными дисковыми затворами и шаровыми кранами.
2. По конструкции редуктора, передающего момент вращения выходному валу, электроприводы делятся на:
   
   • червячные;
   • цилиндрические;
   • планетарные;
   • конические;
   • сложные, включающие два и более типа передач.
     
     
3. В зависимости от типа системы управления выделяют:
   
   • электронный блок концевых выключателей;
   • механический блок концевых выключателей;
   • электронный интеллектуальный модуль.

Мощность и передаточное число электродвигателя увеличивается пропорционально выходному моменту вращения.

Конструкция электропривода

В конструкцию простого электропривода трубопроводной арматуры входят следующие узлы:

1. Электродвигатель. Для решения различных задач могут применяться двигатели, рассчитанные на разные значения электрического тока и напряжения. Также они могут отличаться по мощности, габаритам и весу.
2. Редуктор, предназначенный для регулировки частоты вращения вала двигателя и преобразования вида движения рабочих элементов. Это наиболее тяжелый узел устройства, на который приходится до 70% его массы.
3. Двухстороння муфта – силовой ограничитель крутящего момента, предназначенный для защиты механизма от перегрузок, возникающих в процессе работы устройства.
4. Блок концевых выключателей – ограничивает движение выходного вала при достижении им определенного положения путем отключения электродвигателя. Как правило, концевые выключатели настроены на отключение напряжения при полностью закрытой или открытой арматуре, но их также можно настраивать на срабатывание в промежуточных положениях.
5. Маховик ручного дублера. Трубопроводная арматура обязательно должна быть оснащена ручным приводом, позволяющим осуществлять регулирование в ходе ремонтных и наладочных работ, а также в случае отключения электроэнергии. Кроме того, дублер снабжен переключателем для ручного управления. Он предохраняет от самопроизвольного включения электропривода при наладке оборудования, и таким образом предотвращает травмирование обслуживающего персонала.
6. Датчик и указатель положения привода. Указатель положения рабочего органа локально показывает степень открытия арматуры. Датчик положения затвора дистанционно указывает степень открытия на запорной арматуре в определенный момент времени, а на регулирующей – используется как элемент обратной связи.

Жесткое крепление электропривода к арматуре обычно обеспечивает фланцевое соединение.

Принцип работы электропривода

Основная функция трубопроводной арматуры с электроприводом заключается в управлении подвижными частями затвора в результате совокупной работы всех составляющих узлов приводного механизма. Электропривод трубопроводной арматуры представляет собой управляемый электромеханический модуль, в котором взаимодействуют преобразователи, система управления, а также устройства, обеспечивающие связь привода с внешними коммуникациями системы.

Преобразователями электрической энергии в механическую и электромеханическую выступают электродвигатель и редуктор, а взаимодействие с внешними коммуникациями обеспечивают различные электрические, механические и информационные системы.

Электродвигатель

Для преобразования электрической энергии в механическую в приводе устанавливают электродвигатели, рассчитанные на работу от постоянного или переменного тока, а также от разных значений напряжения. Большинство электроприводов трубопроводной арматуры переменного тока имеют следующие номинальные параметры: напряжения в однофазной сети – 220 В, в трехфазной ─ 380 В, а также частоты тока – 50 Гц.

Редукторы. Безредукторный электропривод

Крутящий момент передается от вала электродвигателя через дифференциальный редуктор выходному кинематическому звену, которое является приводным для перемещения затвора и обеспечивает необходимую степень его герметичности. Одним из главных параметров электропривода является значение максимального крутящего момента на выходном валу, определяющего прикладываемое усилие. По виду ограничения максимального момента вращения, электроприводы классифицируют на модели с двусторонним или односторонним ограничением.

Частота вращения вала электродвигателя обычно значительно больше требуемой для трубопроводной арматуры. По этой причине в конструкцию привода входит редуктор, который уменьшает частоту вращения и увеличивает крутящий момент.

Редукторы также отличаются по своей конструкции. Например, волновой редуктор оснащен передачей в форме цилиндра с зубчатыми колесами, способными деформироваться. Планетарный редуктор имеет в своем составе передачи с подвижными осями. В цилиндрическом редукторе применяются исключительно цилиндрические зубчатые передачи. Наиболее распространенным редуктором, используемым для регулировки трубопроводной арматуры, является червячный редуктор. Он имеет функцию самоторможения.

Наличие редуктора в конструкции привода существенно увеличивает его массу, габариты, а также стоимость всего устройства. К тому же, в таком случае снижается КПД привода. По этой причине были разработаны безредукторные электроприводы на основе тихоходных электродвигателей или вентильно-индукторных двигателей с регулируемой частотой вращения.

Система управления трубопроводной арматурой с электроприводом

Технические возможности современных электроприводов зависят не только от параметров электродвигателя, но и от характеристик системы управления трубопроводной арматурой. Система управления электроприводом обеспечивает бесперебойную работу всего устройства, контролируя и регулируя все происходящие процессы. Таким образом, она должна отвечать следующим требованиям:

• обеспечивать эффективное преобразование электрической энергии в механическую;
• определять значение крутящего момента;
• обеспечивать герметичность арматуры;
• контролировать работу в пограничных режимах;
• поддерживать постоянную скорость при переменной нагрузке;
• обеспечивать точность положения рабочего органа затвора;
• обеспечивать защиту узловых элементов арматуры;
• сохранять данные о положении выходного звена.

Чтобы беспрекословно выполнялись все перечисленные требования, постоянно ведутся разработки, направленные на расширение функционала управления приводом. Благодаря упрощению конструкции арматуры и уменьшению количества подвижных элементов, удалось повысить надежность приводов, а ранняя диагностика позволяет предотвратить их неисправности.

Появление интеллектуального электронного модуля управления позволило программировать работу электропривода. При этом программы могут либо храниться в памяти привода, либо загружаться в него дистанционно с пункта автоматической системы управления.

Электронный блок не только обеспечивает высокую надежность и точность работы арматуры, но и позволяет вести журнал учета всех происходящих процессов, записывая текущую информацию в архив. Так контролируется время открытия и закрытия арматуры, определяется количество циклов срабатывания. Архив позволяет провести диагностику текущего состояния деталей и узлов электропривода, а в случае необходимости – подать сигнал о возникновении предаварийной и аварийной ситуации.

Преимущества электропривода трубопроводной арматуры

Использование приводов электрического типа в трубопроводной арматуре имеет множество преимуществ:

• достигается высокая степень автоматизации управления всеми типами арматуры;
• предоставляется широкий спектр функциональных возможностей;
• имеется большой выбор типов и модификаций приводов, что позволяет использовать их в трубопроводных системах разных размеров и назначений;
• обеспечивается возможность установки арматуры практически любого размера;
• привод питается наиболее доступным видом энергии – электричеством, которое практически не зависит от влияния внешних факторов;
• обеспечивается безопасное для рабочего органа арматуры снятие привода, с целью проведения обслуживания и ремонта;
• имеется возможность установки привода на арматуру с ручным управлением;
• достигается высокий КПД, а электроэнергия затрачивается только на выполнение работы арматуры; становится доступным дистанционное управление технологическими процессами на больших расстояниях.

Однако, несмотря на очевидные достоинства использования электропривода, у такого решения существуют также ряд недостатков:

• приводы, оборудованные демпфирующим устройством, обладают небольшим КПД – до 50%. поэтому, их ресурс ограничивается только несколькими десятками тысяч циклов. Для управления арматурой со средним и большим условным проходом этого количества циклов недостаточно;
• все механизмы электропривода относительно быстро изнашиваются и выходят из строя, из-за чего устройство требует регулярного техосмотра, обслуживания и ремонта;
• контакты привода создают помехи в сети, влияющие на электрические коммуникации;
• использование электропривода невозможно в местах, где нет источника питания.

Трубопроводная арматура с электроприводом при наличии определенных недостатков все же достаточно широко используется во многих производственно-технологических процессах, поскольку обеспечивает возможность автоматизации управления данными системами.