Регулирующая арматура пилотного принципа действия: решение практических задач управления водоснабжения

Горащенков Д.В., Носырев А.А., инженеры-технологи НПЦ ПромВодОчистка
Публикация в журнале "Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения" №5, 2018

Современный пилотный метод регулирования давления/расхода позволяет реализовать решение множества задач для разнообразных потребителей.

В статье сделан обзор практических задач управления водоснабжением с помощью пилотных регуляторов. Базовые решения, как правило, недороги. Комбинация такой арматуры обеспечивает выполнение самых сложных задач управления водоснабжением.

Одной из важнейших задач водоснабжения является обеспечение необходимого давления и объема воды. Человеку не комфортно, если в квартиру подается высокое магистральное давление воды, сопровождающееся скачками напора. Крупному предприятию для разнообразного оборудования требуется различный объем жидкости под определенным давлением. Наконец, особенности рельефа местности также усложняют водоснабжение и водоотведение на больших площадях. Со всеми перечисленными проблемами позволяет справиться регулирующая арматура, особенности которой рассмотрены в предлагаемой вниманию читателей публикации.

Виды регулирующей арматуры

Для решения задач водоснабжения существует множество вариантов разнообразной арматуры, ниже приведем основные устройства:

Рис. 1. Рычажный регулятор

1. Регуляторы давления/расхода – делятся на несколько типов по принципу регулирования и назначению на регуляторы прямого действия и пилотные регуляторы. Одним из примеров регуляторов прямого действия являются рычажныерегуляторы (рис. 1). В этой конструкции проточная часть клапана перекрывается штоком с пробкой. Шток связан с мембраной в мембранной коробке, в которую, в свою очередь, подводится импульсная трубка, а так же с системой противовесов. В случае изменения количества жидкости, проходящей через регулирующее устройство, нарушится равновесие давления жидкости, подающегося через импульсную трубку в мембрану и системы противовесов. Шток поднимается/опускается, изменяя расход через регулятор, вместе с изменением расхода меняется и давление, до тех пор, пока система вновь не уравновесится.
Пружинный регуляторРис. 2. Пружинный регулятор

Пружинные регуляторы устроены похожим образом (рис. 2), но систему противовесов заменяет одна или несколько мощных пружин. 

Из плюсов регуляторов прямого действия можно отметить возможность работы как с жидкой так и с газообразной средой, устойчивость к высоким температурам (вплоть до 300°С). Минусы – высокие потери давления, большие габариты, необходимость монтажа в вертикальном положении, низкая точность регулировки и долгий процесс изменения заданного давления (дополнительные грузы, смена пружин).

 2. Пилотные регуляторы – современное изящное решение проблемы регулирования давления (рис 3).

Пилотный регуляторСхема одного из вариантов пилота
Рис. 3. Пилотный регулятор            Рис. 4. Схема одного из вариантов пилота

В пилотных регуляторах (внешний вид одного из вариантов показан на рис. 4) задатчиком величины выходного давления выступает энергия рабочей среды, подающаяся на небольшой управляющий клапан, гидравлически связанный с трубопроводом, называемым пилотом.

Используется несколько вариантов исполнения корпуса основного клапана, отличающиеся способом перекрытия проточной части.

Для крупных сетей с постоянным расходом, небольших трубопроводах с нерегулярным водоразбором и систем полива используются регуляторы с гибкой диафрагмой (см. схему на рис. 5).

Схема клапана-регулятора с гибкой диафрагмой

 

Рис. 5. Схема клапана-регулятора с гибкой диафрагмой 

Как следует из названия, седло клапана перекрывает резиновая диафрагма (1). При изменении расхода жидкости меняется давление на выходе клапана, в итоге изменяется положение запирающего элемента в пилоте (подробнее описано далее), в результате подается, либо отключается давление в камере управления (2). Камера либо наполняется, либо опустошается,  за счет чего изменяется диаметр проточной части клапана, что обеспечивает выполнение требуемой функции.

Данная конструкция имеет ограничения в эксплуатации. Диафрагма, находясь под температурой выше 80°С имеет свойство размягчаться и выгибаться, чем выше перепад давления – тем быстрее происходит этот процесс. Максимальное давление в трубопроводе для таких регуляторов не должно быть более 16 атмосфер. Также данный способ перекрытия на дает полной герметичности, при долговременном отсутствии расхода давление до и после регулятора будет выравниваться. Тем не менее, для систем с постоянным водоразбором, систем полива и систем водоснабжения жилых зданий эти регуляторы прекрасно подходят, так как просты в конструкции и обслуживании, как правило недороги и доступны.

Для магистральных трубопроводов крупного диаметра, систем с повышенной надежностью, где требуется долгое герметичное закрытие существуют Регуляторы с подвижным штоком (см. рис. 6).

Клапан-регулятор с подвижным штоком

Рис. 6. Клапан-регулятор с подвижным штоком

В этом конструктивном решении перекрывание проточной части клапана осуществляет не резиновая диафрагма, а свзяанный с ней штоком плоский диск, что позволяет обеспечивать герметичность по классу А. Повышенная надежность конструкции дает возможность применять эти регуляторы для решения задач при давлении до 25 - 40 атмосфер. Также на них можно реализовать широкий спектр дополнительных опций – индикаторы положения диска, защиту от кавитации, изолирование камеры управления от проточной части.

Примеры решения задач на регуляторах с пилотным управлением

Пилотное управление позволяет решить множество задач благодаря разнообразным методам подключения, обвязки и разнообразию пилотов, начиная от снижения/поддержания давления и заканчивая быстрым открытием для защиты трубопровода от гидроудара и управления уровнем жидкости в резервуарах. Приведем основные примеры функций, которое могут быть реализованы благодаря пилотному управлению. 

Регулятор давления «после себя»

Как можно понять из названия, эти регуляторы предназначены для регулирования (снижения) давления в трубопроводе после регулятора. Схема приведена на рис. 7.

Схема регулятора давления "после себя"

Рис. 7. Схема регулятора давления «после себя»

При повышении давления в трубопроводе выше заданного уровня давление жидкости преодолевает сопротивление пружины в пилоте, открывается отверстие  (порт), связывающее импульсную трубку входа в регулятор и камеру управления клапана, происходит наполнение управляющей камеры, и диафрагма в клапане прикрывает основное проходное сечение, в результате чего давление на выходе из регулятора снижается. При снижении давления в трубопроводе после регулятора, порт в пилоте закрывается, входное давление вытесняет жидкость из камеры управления, и диафрагма в клапане приоткрывается, в результате чего давление увеличивается до заданного уровня. Работа регулятора показана на рис. 8.

Давление на выходе из регулятора соответствует требуемому Давление на выходе из регулятора возрастает: клапан прикрывается Давление на выходе из регулятора снижается: клапан открывается
Давление на выходе из регулятора соответствует требуемому Давление на выходе из регулятора возрастает: клапан прикрывается Давление на выходе из регулятора снижается: клапан открывается

Рис. 8. Работа регулятора давления «после себя»

Задача

Кольцевая система водоснабжения с несколькими группами потребителей. Давление в системе 12 атм.

Для каждой группы потребителей необходимо обеспечить определенные значения давления:

  • группа 1 :  4 атм;
  • группы 2-3:  6 атм;
  • группа 4:  днем - 6 атм, ночью – 3 атм;
  • группа 5: необходимо снижать давление при снижении расхода;
  • группа 6: необходима возможность плавного регулирования давления.

Решение

  • группа 1 - регулятор давления воды «после себя» (стандартное исполнение) с настройкой на 4 атм;
  • группы 2-3  - два независимых регулятора давления «после себя» на 6 атм. или два регулятора, подключенных к одному пилоту;
  • группа 4 - регулятор давления воды «после себя» с двумя пилотами, настроенными на 4 и 6 атм. соответственно, переключение между пилотами вручную или по таймеру. Используется регулятор давления PRV, обеспечивающий  переключение между пилотами  при изменении расхода до определенного заданного уровня;
  • группа 5 -  регулятор давления типа HiMood. Позволяет автоматически изменять давление при изменении расхода. Чем ниже становится расход, тем ниже становится давление и наоборот;
  • группа 6 - регулятор давления воды «после себя» в стандартном исполнении, возможно оснащение пилота сервоприводом, управление которым осуществляется из диспетчерского пункта.

Регуляторы давления «до себя»

Данные регуляторы предназначены для ограничения давления путем сброса излишка воды, а так же создания подпора жидкости на участках с перепадом высот. Клапан поддерживает давление даже в случае резких колебаний (скачков) давления. Клапан полностью закрывается, когда давление до него падает ниже установленного. Если давление до клапана превышает давление настройки, пилот открывает порт на выпуск жидкости из камеры управления, клапан приоткрывается и поддерживает давления «до себя» на установленном уровне (сбрасывает только избыточное давление). Когда давление до клапана становится ниже установленного, клапан снова закрывается. Схема конструкции клапана приведена на рис. 9, схема работы - на рис. 10.

 Схема регулятора давления «до себя»

Рис. 9. Схема регулятора давления «до себя»

 Регулирование давления  Давление повысилось, клапан открывается  Давление снижается, клапан прикрывается

Регулирование давления

Давление повысилось, клапан открывается

Давление снижается, клапан прикрывается

Задача

Имеется самотечная система водоснабжения, при которой подача воды с горы осуществляется потребителям, расположенным на различных отметках, методом свободного излива. Естественный перепад в системе 300 метров. Различным участкам сети по уровню высотных отметок необходимо обеспечить давление, не превышающее 9 атм., а отдельным группам потребителей на этих участках обеспечить давление на уровне 2-3 атм.

Решение

Для обеспечения регулируемого подпора столба жидкости на заданных участках трубопровода необходимо установить позициях 4,6 на схеме регуляторы давления «до себя» с настройкой на 9 атм. Таким образом, на каждом участке трубопровода будет поддерживаться давление от 1 атм. в самой высокой точке, до 9 атм. в самой низкой точке.

Для обеспечения у потребителей требуемого давления в 2-3 атм.  на каждом отводе к потребителю в позициях 1-3 на схеме устанавливается регулятор давления «после себя».

Регуляторы расхода

Данные регуляторы оснащаются калибровочной шайбой перед регулятором (см. рис. 11), обеспечивающей перепад давления, который используется в пилоте для определения расхода жидкости, проходящей через участок трубопровода. При изменении расхода происходит изменение давления после шайбы, пилот реагирует на это открытием порта на заполнение камеры управления либо порта на ее опустошение.

Таким образом, регулятор осуществляет контроль расхода, автоматически поддерживает давление на выходе на заданном установленном уровне, вне зависимости от колебаний давления и расхода на входе.

Схема регулятора расхода

Рис. 11. Схема регулятора расхода

Задача

На магистральном трубопроводе с двумя потребителями одному из них (производственная линия) требуется поддерживать постоянный расход, независимо от изменения давления, а для второго (микрорайон) требуется поддерживать расход не выше определенного уровня.

Решение

В обоих случаях применяется регулятор расхода, но с различной обвязкой. В одном случае пилотный клапан будет обеспечивать стабильность расхода, независимо от давления, во втором случае, пилотный регулятор будет принудительно ограничивать максимальный расход, независимо от расхода потребителей.

 

Пилотные регуляторы уровня

Применяются на емкостях, в которых нет возможности установить поплавок, водонапорных башнях. Для определения уровня жидкости используется высокочувствительный гидростатический пилот, настроенный на давление, соответствующее разности высоты между местом установки пилота и верхним уровнем жидкости. По мере наполнения резервуара возрастает давление, приходящее на диафрагму пилота (см. рис. 12). При требуемом уровне жидкости пилот наполняет камеру управления и перекрывает поток жидкости через регулятор.

Рис. 12 Схема пилотного регулятора уровня

Задача

Поддерживать в емкости максимальный заданный уровень. Температура окружающей среды может опускаться до отрицательных отметок.

Решение

Установка пилотного регулятора уровня. Клапан монтируется в утепленном помещении/затопленном колодце ниже уровня промерзания. Импульсная трубка подключается к трубопроводу сразу за регулятором, пилот настраивается на давление, соответствующее суммарной высоте столба жидкости в емкости и трубопроводе до места монтажа регулятора. Благодаря тому, что импульсные трубки не подводятся к емкости нет риска замерзания жидкости при низких температурах.

Клапан защиты от гидроудара

Такие клапаны существуют в нескольких исполнениях.

Для экстренного сброса жидкости используются предохранительные клапаны с высокой скоростью открытия – сбросные (см. рис. 13).

Схема сбросного клапана

Рис. 13. Схема сбросного клапана

Устроены такие клапаны аналогично регуляторам давления «до себя», но обвязка клапана и пилот сконструированы таким образом, чтобы в случае резкого повышения давления сразу полностью открывать регулятор, осуществляя сброс лишнего давления. После снижения давления регулятор плавно закрывается.

 Для защиты насосов от обратной волны вследствие непредвиденного останова используют специальный двухпилотный регулятор защиты от гидроудара (рис. 14).

 Схема клапана для защиты насосов от обратной волны

Рис. 14. Схема клапана для защиты насосов от обратной волны

Клапан снабжается двумя пилотами, один из которых настраивается на 10% ниже статического давления в трубопроводе, а второй - на 10% выше рабочего давления насоса. При внезапной остановке насоса, вода продолжает по инерции двигаться, после насоса возникает область пониженного давления, давление падает ниже статического уровня. На это реагирует первый пилот, клапан открывается. К тому моменту, как обратная волна достигнет насосов, клапан уже будет открыт, выпуская обратную волну и предотвращая возникновение гидроудара. Когда вода достигнет клапана, давление снова вырастет, клапан начнет медленно закрываться, предотвращая опустошение трубопровода. Но если при этом объем вернувшейся воды будет слишком большим, и давление начнет расти выше заданного, включается в работу второй пилот, не дает закрыться клапану (рис. 15).

Задача

Насос подает воду потребителю, находящемуся на 100 метров выше места установки насоса. Необходимо предотвратить возникновение гидроудара в результате отключения насоса.

Решение

На отводе после насоса устанавливается клапан защиты из гидроудара, который при внезапной остановке насоса произведет сброс обратной волны.

В заключение

Пилотный метод управления позволяет реализовать решение множества задач для разнообразных потребителей, базовые решения как правило недороги. Рассмотренные в статье пилоты можно комбинировать в обвязке друг другом для выполнения самых сложных решений, а дополнение их электронным управлением позволяет получить практически совершенный набор инструментов для решения практически всех задач управления водоснабжением.

Полезная рассылка компании

Нам
12 лет!