Zawory regulacyjne

Zawory regulacyjne stosowane są jako elementy wykonawcze w układach automatyki i zdalnego sterowania, do regulacji przepływu cieczy i gazów. Używane są w ciepłownictwie, klimatyzacji oraz wentylacji, a także wielu różnych gałęziach przemysłu.

Regulatory można podzielić na regulatory bezpośredniego działania, w których energia niezbędna do działania pochodzi z obiektu regulacji. Drugi rodzaj to taki, w którym regulatory muszą być zasilane energią zewnętrzną (pneumatycznie, elektrycznie czy hydraulicznie).

W regulatorze bezpośredniego działania element pomiarowy, napęd i element wykonawczy najczęściej stanowią jedną całość. Zaletą tego rozwiązania jest prosta budowa i niski koszt wytworzenia. Wadą jest możliwość wykonywania jedynie regulacji stałowartościowej oraz mała dokładność regulacji spowodowana histerezą i odchyłką statyczną.

Zasada działania regulatorów ciśnienia polega na zmniejszaniu przepływu, gdy ciśnienie jest za duże i zwiększaniu przepływu w przypadku, gdy ciśnienie jest za małe. Zazwyczaj regulatory nie mają możliwości zmiany współczynnika wzmocnienia oraz realizacji regulacji programowej, są one produkowane jako regulatory proporcjonalne P. Z właściwości obiektu regulacji oraz z konstrukcji regulatora wynika wartość współczynnika wzmocnienia. W regulatorach bezpośredniego działania mechanicznie jest nastawiana wartość zadana.

W systemach ogrzewania, klimatyzacji i procesach chemicznych regulatory bezpośredniego działania stosowane są do regulacji ciśnienia, różnicy ciśnień, przepływu, temperatury (regulatory temperatury ciepłej wody, termostaty przygrzejnikowe, ograniczniki temperatury powrotu itp.), poziomu. Przykładowo w ciepłownictwie stosowane są również jako wielofunkcyjne regulatory bezpośredniego działania, do jednoczesnej regulacji różnicy ciśnień i przepływu wody sieciowej w węźle.

Budowa regulatorów

Regulator różnicy ciśnień

Regulatory różnicy ciśnień bezpośredniego działania z ogranicznikiem przepływu zbudowane są z korpusu regulatora, siłownika membranowego, sprężyny, grzyba, trzpienia, ogranicznika przepływu. Ich działanie polega na takim sterowaniu grzybem, by nastawiona różnica ciśnień była stała.

Regulator różnicy ciśnień i przepływu

Regulator różnicy ciśnień i przepływu bezpośredniego działania z ogranicznikiem przepływu jest wyposażany w dwie membrany. Za pomocą górnej membrany regulowany jest przepływ, a za pomocą dolnej różnica ciśnień. Pierwszeństwo ma zawsze sygnał 
silniejszy.

Na skutek rozwoju technologii procesów przemysłowych zwiększyły się wymagania dotyczące instalacji w zakresie wielkości ciśnień, przepływów i temperatury. Standardowe rozwiązania nie gwarantują właściwego działania w warunkach zagrożenia erozją, kawitacją, szokami termicznymi, przepływem ponaddźwiękowym, nadmiernym hałasem. Opisane zjawiska działają bardzo niekorzystnie na armaturę. Są one zagrożeniem dla trwałości i bezpieczeństwa instalacji oraz wymagają zastosowania rozwiązań wpływających na eliminację lub redukcję tych zagrożeń. Obecne rozwiązania techniczne zmierzały do podziału spadku ciśnienia na zaworze do wartości poniżej wartości krytycznych przez zastosowanie zaworów klatkowych, grzybów wielostopniowych i innych rozwiązań antykawitacyjnych.

Zawory pierwszeństwa

Inną grupą zaworów regulacyjnych są zawory pierwszeństwa (fot. 1). Zawory pierwszeństwa stanowią połączenie zaworu priorytetu i regulatora ciśnienia. Stosuje się je w celu zapewnienia pierwszeństwa zaopatrzenia w wodę bardzo ważnych fragmentów sieci wodociągowej. Reszta odcinków sieci jest zasilana dopiero, gdy pojawi się dostateczna ilość wody. Kolejną funkcją zaworów pierwszeństwa jest regulacja ciśnienia wyjściowego zabezpieczającego instalację po stronie wylotowej przed przekroczeniem zadanego ciśnienia.

Regulatory dwustawne

Regulacja dwustawna jest regulacją nieciągłą. W zależności od tego, czy sygnał uchybu jest dodatni, czy ujemny wielkość sterująca przyjmuje dwie wartości: minimalną lub maksymalną. Maksymalna wartość wielkości sterującej oznaczana jest zwykle jako umowne 1, natomiast minimalna jako 0. Wartość 1 oznacza włączenie sygnału wyjściowego z regulatora natomiast wartość 0 oznacza wyłączenie sygnału wyjściowego.

Sygnał sterujący przełącza się po przejściu sygnału uchybu przez obszar strefy histerezy. Obszar histerezy zapobiega zbyt częstemu działaniu mechanizmu załączającego regulatora (np. styki elektryczne) oraz zmniejsza częstotliwość załączania urządzeń wykonawczych. Sygnał wyjściowy układu regulacji oscyluje pomiędzy dwiema granicami strefy histerezy. Na podstawie częstotliwości, amplitudy oraz wartości średniej oscylacji ocenia się jakość regulacji dwustawnej. Regulatory dwustawne są proste w budowie i działaniu oraz tanie. Stosuje się je jako regulatory wilgotności (higrostaty) oraz regulatory poziomu cieczy. Znalazły szerokie zastosowanie w klimatyzacji i ciepłownictwie, jako urządzenia zabezpieczające przed niedopuszczalnym wzrostem lub spadkiem temperatury (termostaty) oraz ciśnienia (presostaty). Termostatem nazywamy urządzenie składające się z regulatora i czujnika temperatury. W termostatach najczęściej stosowane są czujniki rozszerzalnościowe: bimetalowe, membranowe lub prętowe.

Bimetale to połączone razem dwa metalowe paski o różnej rozszerzalności cieplnej. Czujnik prętowy stanowią dwa powiązane ze sobą pręty. Jeden z materiału o dużej rozszerzalności cieplnej, drugi wykonany z inwaru o bardzo małej rozszerzalności 
cieplnej.

Czujniki membranowe wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieczy (nafta) i gazów (butan, fluorowęglowodór np. freon) oraz zjawisko adsorbcji, czyli procesu wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodującego lokalne zmiany stężenia.

Termostaty zabezpieczające

Termostaty zabezpieczające stosowane są:

• do zabezpieczania wymienników ciepła i kotłów przed nadmiernym wzrostem temperatury czynnika grzejnego,
• jako termostaty ze stykiem przełączającym i automatycznym powrotem do zadanego położenia,
• jako termostaty ze stykiem otwierającym i blokadą (powrót do zadanego położenia po naciśnięciu przycisku wyzwalacza tylko po spadku temperatury poniżej wartości granicznej – reset),
• do zabezpieczania nagrzewnic elektrycznych przed nadmiernym wzrostem temperatury.

Przegląd dostawców regulatorów

Szeroki zakres zaworów regulacyjnych i regulatorów bezpośredniego działania przeznaczonych do zastosowań przemysłowych mają w swojej ofercie Zakłady Automatyki POLNA.

Zawory regulacyjne typu Z są dostępne o średnicach od DN 15 do DN 250 i ciśnieniach do PN40. Duży zakres wykonań materiałowych i odmian konstrukcyjnych powoduje, że zawory te stosowane są w wielu dziedzinach przemysłu, jak: energetyka, ciepłownictwo, przemysł chemiczny, przemysł papierniczy, spożywczy, hutnictwo, górnictwo itp. Zawory firmy POLNA, dzięki zastosowaniu wysokiej jakości materiałów oraz technik ulepszania powierzchniowego (dogniatanie, stellitowanie, obróbka cieplna, powłoki CrN), charakteryzują się dużą trwałością i niezawodnością działania.

W układach automatyki i zdalnego sterowania zawory Zakładów Automatyki POLNA są stosowane jako elementy wykonawcze w układach automatyki i zdalnego sterowania. Służą one do regulacji natężenia przepływu cieczy i gazów w przemyśle chemicznym, hutnictwie, okrętownictwie itp.
Mogą być dostarczane bez napędów lub z napędami. Standardowymi napędami są siłowniki pneumatyczne membranowo-sprężynowe produkcji Zakładów Automatyki POLNA.

Firma POLNA posiada w ofercie także zawory z napędem elektrycznym do regulacji ciągłej lub dwupołożeniowej w układach grzewczych wodnych lub parowych oraz w instalacjach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Zawory współpracują z siłownikami elektrycznymi takich firm jak: AUMA, Rotork, Controlmatica, Honeywell i innych.

Z kolei firma Valmark ma w swojej ofercie regulatory takich firm jak Danfoss, Samson i Honeywell.

Firma WKM oferuje szeroki zakres regulatorów firmy Danfoss. Regulatory Danfoss składają się: z zaworu regulacyjnego, siłownika z membraną regulacyjną oraz nastawnika różnicy ciśnień. Dostawca posiada w ofercie regulatory ciśnienia, różnicy ciśnień, przepływu i temperatury.

Spółka Termen oferuje regulatory bezpośredniego działania. Przykładowo regulatory typu RCB utrzymują zadaną różnicę ciśnień Δp w przedziałach 0,2–1,6, 1–2,8, 1–3,5 lub 2,5–7 barów. Dopuszczalna temperatura robocza dla regulatora z zaworem kołnierzowym dla wody i pary wodnej to 180 °C lub 80 °C dla gazów niepalnych. Możliwe jest zwiększenie maksymalnej temperatury roboczej do 200 °C dla wykonania specjalnego. Zawór mufowy w regulatorach powoduje, że są one odpowiednie do regulacji wody o temperaturze maksymalnej 150 °C. Regulatory te charakteryzują się: instalacją na zasilaniu lub powrocie, wysoką jakością regulacji oraz regulacją bez udziału energii zewnętrznej. Nie wymagają konserwacji.

W przypadku regulatorów pośredniego działania do regulacji położenia organu zamykającego często służy elektropneumatyczny ustawnik pozycyjny. Przetworniki elektropneumatyczne zamieniają sygnał wytwarzany w elektronicznych układach regulacji na sygnał pneumatyczny potrzebny do wysterowania siłowników pneumatycznych. 
Ustawniki elektropneumatyczne montowane są na zaworach i klapach z napędem pneumatycznym. Pełnią funkcję regulatora jednoparametrowego, który zamienia sygnał 4–20 mA na położenie organu wykonawczego. Ustawniki pozycyjne i przetworniki elektropneumatyczne stosowane są głównie w przemyśle chemicznym oraz wszędzie tam, gdzie ze względu na ochronę przed wybuchem stosowane są układy pneumatyczne. Tego typu urządzenia oferuje firma PREGA Pomiary 
Regulacja.

Firma Envirotech oferuje m.in. regulatory i siłowniki pneumatyczne firmy POLNA, zawory przelotowe z siłownikiem pneumatycznym i elektrycznym firmy Samson oraz siłowniki elektryczne do regulatorów firmy Danfoss. Spółka ZAP Intec oferuje dużą gamę zaworów regulacyjnych.

Ciekawym przykładem są zawory typu HCVA2 odpowiednie dla ciężkich narażeń erozyjnych. Wykorzystuje się je do regulacji parametrów o najwyższych wymaganiach z dowolnym czasem pracy w warunkach krytycznych. Zawory typu HCVA2 znajdują zastosowanie w przypadku pracy w warunkach częściowej kawitacji (np. zawory wtryskowe), flashingu (np. regulacja poziomu skroplin w wymiennikach regeneracyjnych) lub jako zawory redukcyjne pary przy małym i średnim spadku ciśnienia  (np. redukcja ciśnienia pary do zdmuchiwaczy).

Zawory typu HCVA2 produkowane są jako przelotowe proste. Charakterystycznymi elementami zaworów są: korpus zamknięty głowicą, grzyb prowadzony w tulei oraz wkładane gniazdo dociśnięte klatką dławiącą. Uszczelkami spiralnymi metalowo-grafitowymi, umieszczonymi w kanalikach, uszczelnione są zarówno głowica zaworu, jak i gniazdo. Taka budowa umożliwia prosty demontaż i montaż zaworu bez użycia specjalnych narzędzi. Czynnik przepływający przez zawór jest rozprężany dwustopniowo. Stopień pierwszy stanowi zespół grzyb-gniazdo, w stopniu drugim czynnik dławiony jest przez klatkę. Grzyby wykonywane są jako profilowe lub perforowane, a zawory pracują z napływem pod grzyb.

Zawory typu HCVA2 mają średnicę nominalną DN 50–DN 300, ciśnienie pracy PN250–PN400, regulacyjność 50:1 i współczynnik przepływu Kv w zakresie 10–1300 m3/h, w zależności od średnicy.

źródło: Automatyka 5/2016