Пневматический привод или пневматический исполнительный механизм* трубопроводной арматуры – один из самых популярных и широко распространенных во всех отраслях промышленности привод ТПА.
Одной из главных особенностей пневмопривода, благодаря чему данный тип управления арматурой получил широкое распространение в промышленности, является быстродействие. Один и тот же типоразмер арматуры с пневматическим исполнительным механизмом осуществляет перестановку запорного органа из одного крайнего положения в другое на порядок быстрее, чем электрический**. Данный фактор в ряде технологических процессов особенно важен и является определяющим как в выборе арматуры, так и в выборе исполнительного механизма или привода. Остановить технологический процесс за секунды и вывести технологическую установку в безопасный для персонала, экологии, оборудования режим – все это решается за счет арматуры с пневмоприводом.
Быстродействие пневматического исполнительного механизма зависит от двух параметров: скорости заполнения сжатым воздухом полостей пневмопривода и от объема самих полостей. Объем полостей закладывается на этапе конструирования и рассчитывается исходя от требуемых для конкретного изделия моментных характеристик. Чем больший момент будет развивать пневмопривод, тем больший объем полостей необходимо заложить при проектировании. Для конкретного изделия данный объем является постоянным. Номинальная скорость перестановки выходного вала пневмопривода при номинальном моменте также определяется вышеуказанным объемом полостей. Быстрее данной скорости пневмопривод работать не может. По существу, инженерная задача обеспечения быстродействия арматуры с пневмоприводом – это поиск путей как можно меньше отклониться (замедлиться) от номинальной скорости пневмопривода, определенной его конструктивным исполнением.
Пневматическим исполнительным механизмом ТПА управляет внешняя пневматическая схема (рис. 1). Она состоит из ряда элементов, взаимодействие которых позволяет реализовать требуемые технологией функции для трубопроводной арматуры. Нормально открытое или нормально закрытое положение, предопределенное положение при поступлении сигнала ПАЗ, блокировка положения ЗЭл-арматуры в зави симости от внешних сигналов – все эти функции арматуры реализуются за счет внешней пневматической системы управления пневмоприводом ТПА и его конструктивным исполнением (одностороннего или двухстороннего действия).
Одна пневматическая система управления может иметь до десятка пневмоэлементов. Каждый из данных пневматических элементов имеет индивидуальную пропускную способность. Таким образом, общая пропускная способность пневматической системы может быть значительно ниже требуемого расхода воздуха КИП, необходимого для обеспечения номинальной скорости пневмопривода.
Очевидно, что напрашивающимся путем решения данной технической проблемы является увеличение пропускной способности пневматических элементов пневмосистемы и таким образом недопущение «заужения» пневматической системы управления а, как следствие, замедление поступления необходимого для пневмопривода объема сжатого воздуха. Однако сразу выявляется несколько «но». Ряд пневматических элементов, например, электропневмопозиционер, имеет незначительную пропускную способность, и возможности применить иной типоразмер с большей пропускной способностью в общем случае не существует.
Иные пневматические элементы, например, распределитель, с большой пропускной способностью имеют большие габаритные и массовые характеристики. Их применение, очевидно, приведет к удорожанию конечного изделия и увеличению массогабаритных характеристик итогового изделия, что не является целесообразным.
Классическим и наиболее оптимальным вариантом решения проблемы сохранения быстродействия является введение в пневмосхему пневматического элемента – бустера (рис. 2). Систему пневматического управления условно можно разделить на две составляющие: силовую пневматическую цепь и пневматическую цепь управления. Бустер объединит две составляющие и позволит сохранить в пневматической системе управления необходимый расход даже при наличии в пневмосхеме элементов с незначительной пропускной способностью.
Бустер имеет вход и выход силовой пневматической линии с большим расходом, а также порт входа сигнала управления с незначительной пропускной способностью (рис. 3). Бустер выдает на выход давление воздуха КИП, пришедшее на вход сигнала управления с расходом, равным расходу на входе силовой линии. По сути, пневматический бустер получает сигнал (диапазон давлений) и выдает идентичный диапазон, но с большим расходом.
Не очевидным, но потенциальным «узким местом» в рассматриваемой проблематике сохранения быстродействия является точка сброса давления из пневматической полости в атмосферу. Важно не только обеспечить необходимый расход при подаче в полость пневмопривода, но и быстрый сброс воздуха из противоположной полости пневмопривода двойного действия или беспружинной полости в пневмоприводе одностороннего действия.
В противном случае точка сброса воздуха в атмосферу превратится в фактическое «узкое место» системы и будет дросселировать воздух при сбросе, тем самым замедляя перемещения поршня, т. е. подаваться в исполнительный механизм воздух будет с необходимым расходом, соответствующим номинальной скорости исполнительный механизм, а сбрасываться будет с меньшим расходом, тем самым замедляя скорость перестановки поршня и, как следствие, запорного элемента ТПА.
Для предотвращения дросселирования при сбросе наибольшее распространение получило введение в пневмосистему клапанов быстрого выхлопа. Данное устройство позволяет пропускать поток воздуха в прямом направлении (при наполнении цилиндра), а при опустошении цилиндра – быстро сбрасывать воздух в атмосферу через порт с большой пропускной способностью. Обычно клапан быстрого выхлопа размещают непосредственно у пневматической полости, чтобы уменьшить влияние на скорость дросселирования воздуха в пневматических трубках пневмолинии.
*Определения привода и исполнительного механизма, данные в ГОСТ 24856-2014 «Арматура трубопроводная. Термины и определения», в данном материале не учтены, т. к. не влияют на восприятие содержания. В рамках данной статьи нужно воспринимать термины «привод» и «исполнительный механизм» как слова синонимы.
**В данном примере сравнение происходит между пневмоприводом и электроприводом в стандартном (классическом) исполнении. Специальные исполнения электроприводов, такие как с пружинным возвратом, электрогидравлические приводы, в данном сравнении не учтены.
