Клапаны двухходовые: конструкция, принцип действия, типы и применение в системах автоматизации

Двухходовой клапан — это тип регулирующей трубопроводной арматуры, предназначенный для изменения расхода рабочей среды (вода, пар, гликолевые растворы, технологические жидкости) путем изменения проходного сечения. Он имеет один входной и один выходной патрубок, а его основная функция — дросселирование потока. В отличие от трехходовых клапанов, которые смешивают или разделяют потоки, двухходовые клапаны являются исключительно запорно-регулирующими органами, напрямую влияющими на расход в контуре. Их установка приводит к переменному расходу в управляемом контуре и постоянному — в первичном (магистральном) контуре, что является ключевым фактором при проектировании гидравлических систем.

Конструкция и основные компоненты

Конструктивно двухходовой клапан состоит из нескольких базовых элементов:

• Корпус: Изготавливается из латуни, чугуна, углеродистой или нержавеющей стали в зависимости от давления, температуры и агрессивности среды. Имеет фланцевое, резьбовое (внутренняя/наружная резьба) или муфтовое присоединение.
• Затвор (запорный орган): Элемент, непосредственно перекрывающий или дросселирующий поток. В двухходовых клапанах чаще всего применяются тарельчатые (седельные) затворы и плунжеры.
• Шток: Стержень, передающий усилие от привода на затвор. Может быть выдвижным (при открытии клапана шток выдвигается из сальникового узла) или невыдвижным.
• Седло: Кольцевой элемент внутри корпуса, к которому в положении «закрыто» прижимается затвор, обеспечивая герметичность.
• Сальниковый узел (уплотнение штока): Обеспечивает герметичность подвижного соединения шток-корпус. Используются сальниковые набивки, сильфонные уплотнения (для агрессивных или опасных сред) или торцевые уплотнения.
• Привод (актуатор): Устройство, управляющее положением затвора. Является неотъемлемой частью регулирующего клапана.

Принцип действия и типы регулирующих характеристик

Привод получает управляющий сигнал от контроллера системы автоматизации (например, 0-10 В, 4-20 мА, импульсный или дискретный сигнал). В зависимости от этого сигнала привод перемещает шток с затвором, изменяя проходное сечение между затвором и седлом. Пропускная способность клапана (Kvs) — ключевая характеристика, определяющая расход воды при полностью открытом клапане и перепаде давления в 1 бар.

Регулирующая характеристика клапана — это зависимость между относительным ходом затвора и относительной пропускной способностью. Основные типы:

• Линейная: Пропускная способность изменяется пропорционально ходу штока. Применяется, когда перепад давления на клапане постоянен или для контуров с доминирующим сопротивлением самого клапана.
• Равнопроцентная (логарифмическая): На каждый равный процент хода штока приходится равный процент изменения пропускной способности относительно предыдущего значения. Эта характеристика предпочтительна в системах отопления и охлаждения, где перепад давления на клапане переменный, так как обеспечивает более точное регулирование в начале хода и высокую производительность в конце.

Типы приводов (актуаторов) для двухходовых клапанов

Выбор привода определяет скорость, точность и функциональность регулирования.

• Электрические приводы:
  • Модулирующие (аналоговые): Получают сигнал 0-10В или 4-20мА и позиционируют шток пропорционально сигналу. Наиболее распространены для точного регулирования температуры в системах ОВК.
  • Дискретные (ON/OFF): Получают сигнал «открыть/закрыть» (220В, 24В). Используются для задач двухпозиционного регулирования или отсечки.
• Пневматические приводы: Используют сжатый воздух для перемещения штока. Обладают высокой скоростью, взрывобезопасностью и применяются в промышленности, на химических и нефтегазовых объектах.

Классификация и основные типы двухходовых клапанов

1. По типу затвора и конструкции

• Односедельные: Имеют одно седло и один затвор. Обеспечивают хорошую герметичность, но при больших диаметрах требуют значительных усилий привода для перекрытия под давлением. Применяются для малых и средних диаметров.
• Двухседельные: Имеют два седла и два затвора на общем штоке. Усилия от давления среды уравновешиваются, что позволяет использовать привод меньшей мощности для больших диаметров. Недостаток — возможная неодинаковая посадка затворов и несколько меньшая герметичность.
• Клапаны с поворотным затвором (шаровые регулирующие): В качестве регулирующего органа используется шар или секторный затвор. Обладают высокой пропускной способностью и диапазоном регулирования. Современные модели с профилированным шаром или сегментным затвором обеспечивают точное модулирующее регулирование.
• Мембранные (диафрагмовые): В качестве запорного органа используется гибкая мембрана. Применяются для агрессивных, вязких сред или сред с высокой чистотой, так как рабочая среда контактирует только с корпусом и мембраной.

2. По направлению потока и форме корпуса

• Проходные: Прямолинейный корпус, направление потока не меняется. Наиболее распространенный тип.
• Угловые: Корпус изменяет направление потока на 90°. Часто используются в точках подключения отопительных приборов или в условиях ограниченного пространства.

Критерии выбора двухходового клапана

Выбор осуществляется на основе комплексного анализа параметров системы.

Таблица 1: Основные параметры для выбора двухходового регулирующего клапана

Параметр	Описание и единицы измерения	Влияние на выбор
Тип среды	Вода, пар, этиленгликоль, масло, химические реагенты.	Определяет материал корпуса, тип уплотнений (EPDM, NBR, FKM, PTFE) и конструкцию (например, для пара — сталь, сильфонное уплотнение).
Температура среды, °C	Максимальная и минимальная рабочая температура.	Влияет на выбор материала уплотнений и допустимое давление.
Рабочее давление, бар (МПа)	Давление в системе и перепад давления на клапане (ΔP).	Определяет класс герметичности, конструкцию (одно-/двухседельный), мощность привода.
Расчетный расход, м³/ч	Максимальный расход в контуре.	Используется для расчета требуемой пропускной способности Kvs.
Требуемая пропускная способность, Kvs	Расход воды в м³/ч при ΔP=1 бар.	Kvs клапана должен быть равен или немного больше расчетного Kv. Завышение Kvs ведет к потере регулирования.
Регулирующая характеристика	Линейная, равнопроцентная.	Зависит от динамики системы и перепада давления. Для систем отопления/охлаждения — обычно равнопроцентная.
Диаметр условного прохода, Ду (DN)	Номинальный диаметр присоединения.	Подбирается по расчетному Kv, а не по диаметру трубопровода.
Тип управления	Модулирующее, двухпозиционное.	Определяет тип привода (модулирующий или ON/OFF).
Время срабатывания	Секунды на полный ход.	Важно для динамичных систем. Электрические приводы медленнее пневматических.

Гидравлический расчет и подбор Kvs

Корректный подбор пропускной способности — залог эффективного регулирования. Основная формула для расчета требуемого Kv:

Kv = Q / √ΔP, где:
Q — расход, м³/ч;
ΔP — перепад давления на полностью открытом клапане, бар.

На практике выбирают клапан с ближайшим большим значением Kvs из стандартного ряда (например, 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.3, 10, 16, 25, 40 и т.д.). Авторитет клапана (A = ΔPкл / ΔPсети) должен быть не менее 0.25-0.3 для качественного регулирования. При низком авторитете характеристика клапана искажается, регулирование ухудшается.

Области применения двухходовых клапанов

• Системы отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК): Регулирование мощности теплообменников, калориферов, фанкойлов, поддержание температуры в зональных контурах.
• Промышленная тепловая автоматика: Управление процессами нагрева и охлаждения в технологических установках.
• Узлы обвязки тепловых пунктов (ИТП, ЦТП): Регулирование расхода теплоносителя в зависимых и независимых схемах.
• Системы холодоснабжения: Регулирование расхода хладоносителя в чиллерах и охладительных установках.
• Водоподготовка и химическая промышленность: Дозирование реагентов, регулирование потоков технологических жидкостей.

Монтаж, наладка и эксплуатация

Монтаж должен производиться в соответствии с направлением потока, указанным стрелкой на корпусе. Перед клапаном рекомендуется установить фильтр-грязеуловитель. Для обслуживания и демонтажа необходимо предусмотреть запорную арматуру и байпас (в критичных системах). При наладке системы производится настройка параметров каскадирования ПИД-регулятора контроллера, управляющего клапаном. Эксплуатация требует периодической проверки герметичности, работоспособности привода и очистки от отложений.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем ключевое отличие двухходового клапана от трехходового?

Двухходовой клапан изменяет расход в подконтрольном контуре, создавая переменный поток. Трехходовой клапан перенаправляет или смешивает потоки, поддерживая постоянный суммарный расход в первичном контуре. Двухходовые клапаны применяются для регулирования нагрузки, трехходовые — часто для защиты оборудования (например, котлов) от низкотемпературной обратки или для смесительных узлов.

Что произойдет, если выбрать клапан с завышенным Kvs?

Клапан будет работать преимущественно в начальном участке своего хода (первые 10-30%), где регулирующая характеристика нелинейна и чувствительность высока. Это приведет к неустойчивому регулированию, колебаниям температуры («охоте» клапана), повышенному износу затвора и седла. Точность поддержания параметра резко снизится.

Когда следует выбирать клапан с линейной, а когда с равнопроцентной характеристикой?

Линейная характеристика выбирается для контуров с относительно постоянным перепадом давления, где нагрузка линейно зависит от расхода (например, некоторые технологические процессы). Равнопроцентная характеристика — для систем с переменным перепадом давления, что типично для систем отопления/охлаждения зданий, где работа насосов и сопротивление сети меняются. Она обеспечивает более линейную зависимость теплоотдачи от хода клапана.

Нужно ли устанавливать запорные краны до и после регулирующего двухходового клапана?

Да, это стандартная практика. Запорные шаровые краны (или задвижки) позволяют изолировать клапан для его обслуживания, ремонта или замены без дренирования всей системы.

Как бороться с кавитацией и шумом на двухходовом клапане?

Кавитация возникает при большом перепаде давления, когда локальное давление падает ниже давления насыщения пара жидкости. Для борьбы применяют:

• Выбор клапана с многоступенчатым дросселированием (антикавитационные модификации).
• Ограничение максимального перепада давления на клапане за счет гидравлической увязки контуров (балансировочные клапаны, регуляторы перепада давления).
• Установку клапанов с пониженным уровнем шума (специальная геометрия проточной части).
• Правильный расчет и подбор Kvs.

Можно ли использовать двухходовой клапан для перекрытия потока (как запорную арматуру)?

Регулирующие клапаны, особенно с электроприводами, могут выполнять функцию отсечки, но их герметичность по классу «А» (полное непропускание) обычно ниже, чем у специализированных запорных шаровых кранов. Для длительной отсечки и обеспечения абсолютной герметичности рекомендуется использовать отдельную запорную арматуру. Привод клапана при этом может быстрее изнашиваться, если он постоянно работает в крайних положениях.

Заключение

Двухходовые регулирующие клапаны являются критически важными элементами систем автоматического управления тепловыми и гидравлическими процессами в энергетике и ОВК. Их корректный выбор, основанный на точном гидравлическом расчете и понимании характеристик системы, определяет стабильность, энергоэффективность и долговечность работы всего комплекса оборудования. Современные клапаны с интеллектуальными приводами, интегрированными в системы диспетчеризации, позволяют достигать высокой точности регулирования и значительной экономии энергоресурсов. Постоянное развитие материалов, конструкций и методов управления обеспечивает их широкое применение в ответственных и сложных технологических цепях.