SILESIAN UNIVESITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING INSTITUTE OF POWER ENGINEERING AND TURBOMACHINERY

Transkrypt

1 SILESIAN UNIVESITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING INSTITUTE OF POWER ENGINEERING AND TURBOMACHINERY POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Control valves (A-5) Zawory regulacyjne Laboratory of Automatics Laboratorium automatyki Opracował/ Developed: dr hab. inż Leszek Remiorz, mgr inż. Klaudia Dubiel-Jurgaś 1

2 1. Aim of the exercise //Cel ćwiczenia The aim of the exercise is getting to know the basic issues of setting devices and control valves. //Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zagadnień dotyczących urządzeń nastawczych i zaworów regulacyjnych 2. Setting devices //Urządzenia nastawcze Setting devices are used to convert the signal from the object regulator to the signal of the object's set value. The signal of the object regulator can be an electric, pneumatic, magnetic or hydraulic signal and it is converted into, for example, valve opening stage, throttle angle, speed change, etc. In the setting device two main components can be distinguished: executive (actuator) and adjuster. The block diagram of the setting device (adjuster) is shown in Fig. 1. // Urządzenia nastawcze służą do zamiany sygnału z regulatora obiektu na sygnał wielkości nastawczej obiektu. Sygnał regulatora obiektu może być sygnałem z 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. 1. Power supply // zasilanie Remote referencing-unit // Zadajnik zdalny Actuator amplifier // Wzmacniacz siłownika Position indicator // Wskaźnik położenia Regulator // Regulator Positioner // Ustawnik pozycyjny Actuator // Siłownik Transmission // Przekładnia Adjuster // Nastawnik Valve // Zawór Local referencing-unit // Zadajnik lokalny Block transmitter // Przekaźnik blokowy Position limiter //Ogranicznik położenia Fig. 1. Scheme of adjustment device // Rys.1. Schemat urządzenia nastawczego The setting device can be additionally equipped with the following elements: positioner, position referencing-unit, relay, limiter with limit switches, position indicator, actuator amplifier. // Urządzenie nastawcze może być wyposażone dodatkowo w następujące elementy: ustawnik pozycyjny (pozycjoner), zadajnik położenia, przekaźnik, ogranicznik z wyłącznikami krańcowymi, wskaźnik położenia, wzmacniacz siłownika. 2

3 The positioner is an auxiliary regulator of pin position with negative feedback. The use of the positioner significantly reduces the controller's hysteresis and improves the linearity of the system's characteristics. Position referencing-unit enables displacement of the actuator in operating conditions without a regulator. //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. The position transmitter is a device blocking the actuator when the set parameters of the object or failure are exceeded. In pneumatic actuators, a cut-off the air supply in the chamber, and in the electric, an inhibition and immobilisation of rotor are applied. //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. Position limiters are used in electric actuators to protect the electric motor against damage. In the end positions, the switches disconnect and stop the electric motor. Limiters can also be used in pneumatic and hydraulic actuators. //Ograniczniki położenia stosowane są w siłownikach elektrycznych zabezpieczając silnik elektryczny przed zniszczeniem. W krańcowych położeniach wyłączniki powodują odłączenie i zatrzymanie silnika elektrycznego. Ograniczniki mogą również być stosowane w siłownikach pneumatycznych i hydraulicznych. The position indicator gives information about the degree of openness of the positioner's gate. Depending on the type of supplied power, the pneumatic, hydraulic and electric actuators are distinguished. The adjusters are part of the control system directly influence the process which is regulated by changing the flow of matter or energy. The most commonly used actuators are: throttling devices, that is: valves, gate valves, throttles, etc. //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. 3

4 3. Control valves // Zawory regulacyjne A typical course of changes in fluid pressure along the fluid flow path is shown in Fig. 2. // Typowy przebieg zmian ciśnienia płynu wzdłuż drogi przepływu płynu jest przedstawiony na Rys. 2. Fig. 2. Pressure distribution along the flow path //Rys. 2. Rozkład ciśnienia wzdłuż drogi przepływu Changes in the parameters of energy processes often require changes in fluid streams along the flow path. Changes in the value of streams are carried out by changing the rotational speed of the machines (pumps, fans) or by throttling the flow stream (by means of valves, flaps, steering wheels). An illustration of these two methods is shown in Fig. 3. // 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 tych dwóch metod jest przedstawiona na Rys 3. Fig. 3. The change of capacity by changing the characteristics of the pipeline and pump //Rys. 3. Zmiana wydajności poprzez zmianę charakterystyki rurociągu i pompy 4

5 Throttling the stream requires the use of an adjusting device with a regulating valve. The basic equations of liquid flow through control valves important for Re> 4000 have the following form: // Dławienie strumienia pociąga za sobą konieczność zastosowania urządzenia nastawczego z zaworem regulacyjnym. Podstawowe równania przepływu cieczy przez zawory regulacyjne ważne dla Re> 4000 ma następującą postać: V = K V p z ρ w, Where: V - fluid flow, K V - flow coefficient, Δp z - pressure drop on the valve, ρ w - the relative density of the flowing liquid in relation to the density of water. //Gdzie: V strumień płynu, Kv współczynnik przepływu, Δpz spadek ciśnienia na zaworze, ρw względna gęstość przepływającej cieczy w stosunku do gęstości wody. Definition of the flow coefficient K V // Definicja współczynnika przepływu K V The flow coefficient was defined as the water flow rate at 4 C occurring at a pressure difference of 1kG / cm 2. // Współczynnik Kv zdefiniowany został jako natężenie przepływu wody o temperaturze 4 C zachodzące przy różnicy ciśnień równej 1kG/cm 2. K V(100) = V 100 ρ w p 100, Where: K V(100) - value of the coefficient at full valve opening, Δp z(100) the pressure drop on the valve for the maximum fluid flow // Gdzie: K V(100) wartość współczynnika przy całkowitym otwarciu zaworu, Δp z(100) wartość spadku ciśnienia na zaworze dla maksymalnego przepływu płynu Valve characteristics // Charakterystyki zaworów The valves are usually described by three typical characteristics. These are characteristics: openings, internal and working. // Zawory opisywane są najczęściej trzema typowymi charakterystykami. Są to charakterystyki: otwarcia, wewnętrzne i robocze. 5

6 Valve opening characteristics// Charakterystyka otwarcia zaworu This is the relationship between the opening surface of the valve and the position of the plug. Usually two types of opening characteristics are encountered: linear and equal percentage. // Jest to zależność pomiędzy powierzchnią otwarcia zaworu a położeniem grzybka. Spotyka się najczęściej dwa rodzaje charakterystyk otwarcia: liniową i stałoprocentową. Linear characteristics // Charakterystyka liniowa The valve opening surface is directly proportional to the position of the valve // Powierzchnia otwarcia zaworu jest wprost proporcjonalna do położenia grzybka A = h 100% A max h max Equal-percentage (logarithmic) characteristic // Charakterystyka stałoprocentowa (logarytmiczna) Displacement of the valve plug by Δh causes a constant percentage change of the valve opening surface // Przesunięcie grzybka zaworu o Δh powoduje stałą procentową zmianę powierzchni otwarcia zaworu A = e A max (n h 100%) h max e (n 100%), where: A- opening surface, h plug position, n fixed factor. //gdzie: A- powierzchnia otwarcia, h- położenie grzybka, n stały współczynnik. Internal characteristics // Charakterystyka wewnętrzna This is the relationship between the flow of fluid and the degree of opening of the valve plug in the range of 0-100% occurring at a constant pressure drop. //Jest to zależność pomiędzy strumieniem płynącego płynu a stopniem otwarcia grzybka zaworu w zakresie od 0-100% zachodząca przy stałym spadku ciśnienia. Working characteristics // Charakterystyka robocza This type of characteristic takes into account changes in pressure drop on the valve depending on the fluid flow and the resistance of the installation in which the valve was mounted. The control valves are made in two versions: as valves with linear or equal percentage characteristics (Fig. 4). 6

7 // 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 stało procentową. Fig. 4.Working characteristics of linear and equal percentage valve //Rys. 4. Charakterystyki robocze zaworu liniowego i stałoprocentowego 4. Exercise //Przebieg ćwiczenia As part of the exercise, the water flow and the pressure before and after the valve are measured. The pump capacity and the degree of valve opening are the changed values. The main task is to determine the flow coefficient and to create a graph of K V dependence on Δh for individual pump capacities. // W ramach ćwiczenia mierzone są: strumień wody oraz ciśnienie przed i za zaworem. Wielkościami zmienianymi są wydajność pompy i stopień otwarcia zaworu. Głównym zadaniem jest wyznaczenie współczynnika przepływu oraz sporządzenie wykresu zależności K V od Δh dla poszczególnych wydajności pompy. 5. Report //Sprawozdanie A complete report should include //Kompletne sprawozdanie powinno zawierać: Title page //Stronę tytułową, Aim of the exercise //Cel ćwiczenia, Short theoretical introduction //Krótki wstęp teoretyczny, Schemes of analyzed system //Schemat analizowanego układu, Measurement card //Kartę pomiarowe, Graphs // Wykresy Conclusions //Wnioski. 7

8 Measurement card //Karta pomiarowa (A-5) DATE // DATA.. GROUP // GRUPA... SECTION // SEKCJA Pump capacity //Wydajność pompy:... % 1 Δh % V 1 dm 3 /min V 2 dm 3 /min p 1 kpa p 2 kpa V śr dm 3 /min Δp kpa K V m 3 /h Teacher s signature //Podpis prowadzącego 8