Моностабильные запорные клапаны с нулевой мощностью в газовых системах: техническое сравнение

Почему поведение мощности при останове имеет большее значение в газовых системах, чем где-либо еще

Электромагнитный клапан, управляющий водой или сжатым воздухом, обычно может удерживать любое положение, в котором он находился, когда пропадало питание. Электромагнитный клапан, управляющий горючим газом, не может сделать такого предположения. Стандарты, написанные специально для газовых запорных клапанов, такие как EN 161 для газовых и жидкотопливных горелок, определяют работу клапана как автоматическое прерывание потока газа в момент потери мощности - не как функцию удобства, а как основную функцию безопасности, для выполнения которой существует клапан.

Это единственное требование незаметно устраняет значительную долю рынка «маломощных» электромагнитных клапанов для газовых применений, хотя многие из этих продуктов являются отличным выбором для орошения, дозирования воды или пневматического управления. Любой, кто выбирает клапан для газопровода — удаленную станцию ​​регулирования давления, необслуживаемую точку учета, систему резервной горелки — должен оценить не только то, насколько мало энергии потребляет клапан, но и то, что делает клапан, когда мгновенное питание полностью отключается.

Три способа изготовления маломощного газового запорного клапана

Большинство представленных на рынке электрических запорных клапанов для газа относятся к одной из трех архитектур. Понять разницу полезнее, чем сравнивать брошюры, поскольку архитектура, а не маркетинговая этикетка, определяет, как клапан ведет себя во время отключения электроэнергии.

Традиционные моностабильные электромагнитные клапаны используйте подпружиненный якорь и катушку с постоянным напряжением. Приложение силы сжимает пружину и открывает (или закрывает) клапан; Отключение питания позволяет пружине вернуть клапан в расчетное состояние по умолчанию. Такая архитектура лежит в основе большинства запорных клапанов горелок, соответствующих стандарту EN 161, поскольку отказоустойчивость заложена в механике, а не в какой-либо логике управления. Компромисс заключается в том, что катушка должна оставаться под напряжением до тех пор, пока клапан должен оставаться открытым, что означает непрерывное потребление энергии и непрерывное выделение тепла в течение всего рабочего цикла.

Бистабильные (запирающие) клапаны импульсного типа решите проблему с питанием, используя короткий импульс тока для перемещения клапана в определенное положение, а затем полагаясь на постоянный магнит или механический фиксатор, чтобы удерживать это положение с полностью обесточенной катушкой. Удерживающая способность падает практически до нуля. Но у клапана нет состояния по умолчанию, в которое он мог бы вернуться — он просто остается там, где его покинул последний импульс, в том числе при отключении электроэнергии. Для достижения противоположного состояния также необходимо изменить полярность управляющего импульса, а это означает, что эти клапаны нельзя подключить так же, как стандартный электромагнитный клапан; им необходим внешний генератор импульсов или плата драйвера, а также пуско-наладочные работы для правильной настройки ширины импульса, синхронизации полярности и пороговых значений напряжения.

Композитные защелкивающиеся архитектуры — категория, к которой принадлежит это изделие — попытка сохранить проводку и характеристики управления моностабильного клапана, заимствуя при этом почти нулевую удерживающую способность бистабильной конструкции. Подача питания на катушку открывает или закрывает клапан точно так же, как это сделал бы обычный электромагнитный клапан; как только положение достигнуто, встроенная схема управления переключает катушку в состояние фиксации со сверхнизким энергопотреблением, вместо того, чтобы оставлять ее полностью под напряжением. Крайне важно, что если питание полностью отключается - не отключается намеренно, а теряется - клапан спроектирован так, чтобы вернуться в исходное состояние, отражая отказоустойчивое поведение традиционного моностабильного клапана, а не поведение «удержания последнего положения» бистабильного клапана.

Энергопотребление и тепло: где цифры на самом деле расходятся

Разрыв в эффективности между этими архитектурами не является незначительным. Стандартный газовый электромагнитный клапан с постоянным питанием обычно потребляет мощность в диапазоне 5–15 Вт для удержания положения, в зависимости от размера отверстия и класса давления, и эта мощность рассеивается в виде тепла в катушке до тех пор, пока клапан остается открытым. В приложениях, где клапану может потребоваться оставаться открытым в течение нескольких часов или дней (например, в непрерывно работающей линии горелки), тепловая нагрузка и потребляемая мощность постоянны.

Удерживающая способность композитной конструкции находится на том же порядке, что и у бистабильного клапана — ниже 0,05 Вт для моделей постоянного тока и ниже 0,06 Вт для моделей переменного тока — что соответствует уровню экономии энергии более 95 % по сравнению с обычным моностабильным клапаном аналогичного размера. Поскольку в запертом состоянии протекает очень небольшой ток, катушка не испытывает повышения температуры, как это происходит с клапанами с постоянным напряжением, что является значимым фактором надежности для срока службы изоляции катушки в установках, которые работают годами без доступа для обслуживания.

Вопрос соответствия: что происходит, когда на самом деле отключается электричество

Это тот момент, когда три архитектуры перестают быть взаимозаменяемыми при использовании газа. EN 161 и аналогичные стандарты отключения газа существуют специально для того, чтобы гарантировать, что клапан, управляющий горючим газом, возвращается в безопасное, закрытое состояние без какой-либо помощи в тот момент, когда он теряет питание. Традиционный моностабильный клапан удовлетворяет этому требованию по механическим параметрам. Бистабильный клапан импульсного типа по своей конструкции этого не делает — у него нет пружинного смещения и состояния по умолчанию, поэтому при сбое питания он просто замораживается, где бы он ни находился, открыт или закрыт. В отказоустойчивом газовом приложении такая двусмысленность является именно тем поведением, для предотвращения которого написан стандарт.

Об этом стоит сказать прямо, а не замалчивать: бистабильный импульсный клапан не является автоматически непригодным для любого использования, связанного с газом — точки контроля расхода или точки измерения, которые не классифицируются как устройства защитного отключения, могут допускать удержание в последнем положении. Но для любого применения, где функция клапана определяется как защитное отключение, удержание неизвестного последнего состояния при отключении электроэнергии является реальным ограничением, а не незначительным неудобством.

Моностабильный запорный клапан с нулевой мощностью предназначен для устранения этого разрыва путем объединения двух режимов работы: почти нулевой удерживающей способности во время нормальной работы и определенного возврата в исходное состояние при полном отключении мощности. Это второе свойство позволяет оценивать его по той же логике отказоустойчивости, на основе которой разработаны традиционные моностабильные клапаны, а не по логике «удержания последнего положения», как у бистабильного клапана. Стоит отметить, что соблюдение этого принципа поведения — это не то же самое, что наличие специальной сертификации: любой, кто определяет клапан для сертифицированного приложения безопасности, должен подтвердить фактические разрешения, имеющиеся у конкретного корпуса клапана и узла катушки, а не предполагать соответствие только по архитектуре. Чтобы подробнее рассмотреть, как на практике расходятся две философии фиксации, это сравнение поведения одностабильного и бистабильного импульсного клапана проходит через критерии принятия решений, которые обычно применяют инженеры.

Монтаж проводки и ввод в эксплуатацию: стоимость, не указанная в технических характеристиках

Потреблению энергии уделяется больше всего внимания в литературе по продуктам, но стоимость ввода в эксплуатацию часто является более важным фактором при сравнении общей стоимости установки, особенно в распределенной газовой инфраструктуре со многими точками клапанов. Для бистабильного клапана импульсного типа необходим драйвер, способный менять полярность с контролируемой длительностью импульса — обычно это означает специальную плату контроллера, дополнительную проводку для собственного источника питания драйвера и время ввода в эксплуатацию для проверки параметров импульса на каждом объекте. Если этот контроллер когда-либо потребуется заменить, тот, кто обслуживает объект, должен понимать конфигурацию конкретного драйвера.

Композитный запирающий клапан, напротив, предназначен для подключения той же проводки, что и обычный моностабильный электромагнитный клапан — стандартный интерфейс разъема DIN43650, без отдельного блока драйвера или импульсного контроллера в контуре. Интегрированная схема управления и инкапсулированная конструкция BMC расположены внутри корпуса клапана, поэтому установщику, знакомому с подключением стандартного газового электромагнитного клапана, не нужно изучать новую процедуру ввода в эксплуатацию. Читатели, которым интересны основные детали конструкции, могут увидеть, как Инкапсуляция BMC способствует созданию герметичной конструкции с интегрированным драйвером. это делает возможным подключение по принципу «подключи и работай».

Это особенно важно, когда предприятие модернизирует существующие моностабильные позиции клапана: замена клапана, не касаясь шкафа управления, или переподключение панели — это существенно иной объем проекта, чем установка клапана, для которого требуется новый контроллер.

Где на самом деле подходит каждая архитектура

Ни одна из этих трех архитектур не является универсальным ответом, и честное сравнение должно говорить об этом прямо.

• Традиционные моностабильные клапаны остаются разумным выбором там, где непрерывное питание дешево и доступно, количество циклов невелико, а простота чисто механического предохранителя предпочтительнее любой электронной логики блокировки.
• Бистабильные клапаны импульсного типа хорошо подходят для применений с действительно неограниченной или ограниченной батареей мощностью, где роль клапана не заключается в сертифицированном защитном отключении (обычными примерами являются ирригационные сети и небезопасное управление потоком) и где предприятие уже имеет опыт обслуживания оборудования импульсного драйвера.
• Моностабильные запорные клапаны с нулевой мощностью нацелены на конкретный разрыв между этими двумя: удаленными или необслуживаемыми газовыми установками — станциями регулирования давления, резервными точками измерения, блоками мониторинга с питанием от солнечной или аккумуляторной батареи — где требуется безопасное закрытие при потере мощности, постоянное потребление высокой мощности непрактично, а замена существующей управляющей проводки нежелательна.

Остающийся открытым вопрос для любого конкретного проекта — это рабочий цикл и ожидаемая частота переключения. Композитные запорные клапаны созданы для нечастого, преднамеренного переключения, а не для быстрого циклического переключения, поэтому перед выбором приложение, в котором требуется много операций переключения в час, должно быть проверено на соответствие этому требованию номинальному сроку службы конкретной модели, а не на основе общего описания архитектуры. Для получения полной технической информации о внутреннем драйвере и конструкции инкапсуляции см. Технологический документ о композитной архитектуре запирания этого клапана охватывает инженерные детали, лежащие в основе обсуждаемых здесь цифр. Технические характеристики изделия, включая срок службы и номинальное давление для конкретной модели, указаны на Линия продуктов с защелкивающимся электромагнитным клапаном страница.