Скорость перестановки запорного элемента (ЗЭл) трубопроводной арматуры является одним из важнейших эксплуатационных характеристик единицы ТПА. Данная характеристика определяется требованиями технологического процесса, в котором участвует единица ТПА.
Особенно это важно при использовании трубопроводной арматуры в качестве противоаварийной защиты на линии технологического процесса. Правильно подобранное время перестановки ЗЭл позволяет осуществить противоаварийную защиту во временной промежуток, приемлемый для безопасности технологического процесса.
В общем случае скорость перестановки запорного или регулирующего элемента (РЭл) трубопроводной арматуры определяется конструкцией привода.
В случае электрического привода скорость перемещения выходного вала ТПА определяется характеристиками конструктивных элементов – скоростью вращения электродвигателя, передаточным числом понижающего редуктора. Скорость не зависит от момента сопротивления ТПА. Регулирование скорости перемещения выходного вала ТПА возможно в ряде случаев за счет применения специальных внешних устройств для частотного регулирования скорости вращения выходного вала электродвигателя электропривода. Данное решение на практике при эксплуатации ТПА практически не применяется, то есть изменение скорости перестановки ЗЭл ТПА с электроприводом после ввода изделия в эксплуатацию практически не происходит.
В случае пневматического привода скорость перемещения выходного вала ТПА определяется тремя базовыми факторами.
Первый фактор – это конструктивные характеристики привода. И во главу угла тут встает объем полостей привода – то есть тот объем воздуха КИП, который необходим для перестановки поршней между крайними положениями и, как следствие, перемещения ЗЭл ТПА.
Соответственно, чем больше момент (усилие) развивает конкретный типоразмер привода, тем больший объем воздуха потребляет привод для совершения одного перемещения. Конструктивно с ростом момента растет объем полостей и, как следствие, скорость заполнения данных полостей воздухом КИП, что, в свою очередь, приводит к увеличению промежутка времени, необходимого на перемещение РЭл ТПА.
Для наглядности приведем таблицу зависимости скорости перестановки выходного вала разных типоразмеров четвертьоборотных приводов двухстороннего действия.
Для простоты и дальнейшего использования в данной статье введем термин – базовое время перестановки ТПА.
Базовое время – это промежуток времени, необходимый для перемещения между двумя крайними положениями РЭл ТПА при подаче в пневмопривод воздуха КИП номинального давления с расходом, ограниченным только диаметром входных пневматических портов пневмопривода.
Вторым фактором является то, что на практике при проектировании, конструировании, производстве пневматической системы управления пневмоприводом ТПА объем воздуха КИП не подается в пневмопривод с базовым временем. Это связано с тем, что все элементы пневматической системы управления и пневматические линии имеют сравнительно меньшую пропускную способность и по сути дросселируют расход воздуха КИП, поступающего в пневмопривод. Иными словами, воздух КИП, пропущенный через пневматические элементы и магистраль системы управления, не обеспечивает сохранения базовой скорости пневмопривода в связи с дросселированием расхода на каждом пневматическом элементе и суммарным уменьшением расхода воздуха КИП, поступающего в пневмопривод. Чем больше пневматических управляющих элементов в системе, тем выше суммарное уменьшение расхода воздуха. Для нивелирования данного технического эффекта широко применяется пневматический элемент – бустер (анг. Booster relay), или в русскоязычной адаптации усилитель пневмосигнала. Функция данного элемента – прямопропорциональное изменение давление воздуха КИП на выходе, в зависимости от величины управляющего давления, но с большим расходом.
Применение данного элемента позволяет развести управляющую (анг. SIG) и силовую (анг. SUP) линию системы управления пневмоприводом. Все управляющие элементы пневмологики системы управления выносятся в управляющую линию. Силовая линия соединяет непосредственно источник воздуха КИП и порт пневмопривода. Проходное сечение силовой линии должно быть достаточно для обеспечения расхода воздуха КИП, необходимого для сохранения базовой скорости пневмопривода.
Третьим, столь же важным условием сохранения быстродействия, как и сохранение номинального расхода при подаче давления в пневмопривод, является необходимость быстро сбросить давление из нерабочей полости пневмопривода. Пока нерабочая полость будет находиться под давлением, движение поршней не сможет произойти. Воздух из нерабочей полости нужно максимально быстро сбросить в атмосферу. Для реализации этой задачи применяется клапан быстрого выхлопа (англ. Quick Exhaust Valve).
Его функция – обеспечить сброс воздуха из нерабочей полости пневмопривода в атмосферу, минуя систему управления пневмопривода. Именно этим быстрым сбросом и поддерживается возможность заполнения рабочей полости пневмопривода с номинальной скоростью. Клапан быстрого выхлопа устанавливается наиболее близко к пневмоприводу, то есть в конце пневматичсекой системы управления. Клапан быстрого выхлопа пропускает управляющую среду в направлении пневмопривода, а при отсутствии давления управляющей среды сбрасывает давление, минуя систему управления.
Подводя промежуточный итог, можно выделить три фактора быстродействия пневмопривода:
1. Скорость зависит от типоразмера пневмопривода.
2. Необходимо исключить дросселирование в пневматической системе управления пневмопривода для сохранения скорости, близкой к номинальной.
3. Одновременно с подачей воздуха КИП в рабочую полость необходимо быстро сбрасывать воздух из нерабочей полости пневмопривода.
Еще одной классической задачей вариации скорости пневмопривода является противоположная – не сохранение номинальной скорости, а замедление скорости перестановки привода на 90 градусов. Например, на этапе проектирования и производства неизвестно, с какой скоростью ЗЭл ТПА должен осуществить перестановку, или уже во время эксплуатации выяснилось, что временной параметр необходимо изменить в сторону уменьшения (замедления). В этом случае эффект дросселирования, который являлся отрицательным фактором и борьба с которым описывалась в первой части статьи, приобретает положительные свойства. При уменьшении проходного сечения в системе управления объем воздуха будет подаваться в полость пневмопривода с меньшим расходам и, как следствие, перестановка поршней будет происходить с меньшей скоростью. Общепринято считать прямопропорциональную зависимость между уменьшением площади проходного сечения и скоростью перестановки привода. Для уменьшения проходного сечения в систему управления вводится пневматический элемент дроссель (анг. speed controller, flow control). По сути, дроссель является противоположностью клапану быстрого выхлопа и выполняет обратную функцию. Дроссель устанавливается на выхлоп пневматического цилиндра с целью избежание эффекта «дергания» привода, который может возникнуть при дросселировании подачи воздуха КИП. Данный эффект может возникнуть в связи с нелинейностью заполнения полости цилиндра и резкого увеличения объема полости при каждом линейном перемещении поршня в цилиндре. С помощью дросселя можно замедлить скорость ТПА рабочего цикла в практически неограниченных пределах.
Исходя из вышесказанного, можно свести таблицу с основными техническими выводами
