Важным этапом разработки и проектирования систем автоматического регулирования является выбор их эле­ментов в соответствии с требованиями, предъявляемы­ми к их мощности, точности и надежности, а также в зависимости от имеющихся в наличии источников энергии.

На ранних стадиях разработки ЭХГ системы авто­матического регулирования комплектовались, как пра-

вило, из узлов й агрегатов унифицированных систем, нё предназначенных для этих целей и не удовлетворявших ряду важных требований, предъявляемых к ним в свя- со спецификой работы средств автоматики в средах кислорода, водорода, растворах щелочей и повышенны­ми механическими и климатическими воздействиями. На этих стадиях средства автоматики лишь функционально обеспечивали работу лабораторных макетов ЭХГ и вхо - щие в него системы не могли обеспечить устойчивую и длительную работу в режиме автоматического регули­рования, контроля и защиты.

Переход к созданию ЭХГ как источника электриче­ской энергии для конкретных объектов, естественно, по­требовал разработки совершенно новых специфических устройств и элементов, логически и функционально увя­занных в единую систему автоматики.

Одним из необходимых условий эффективной работы ЭХГ является стабилизация таких параметров, как дав­ление, перепад или равенство давлений топлива и окис­лителя и перепад давления между реагентами и элект­ролитом (в случае жидкого электролита). Выполнение этого требования в условиях нестационарных нагрузок и других внешних возмущений может обеспечить лишь автоматическая система управления.

Первые схемы таких систем были опубликованы в работах Бэкона (Bacon F. Т) и фирмы «Аллис-Чалмерс». 234

Были предложены системы смешанного типа (прямое и непрямое регулирование).

На рис. 5.8 и 5.9 представлены две схемы непрямого регулирования, включающие в себя элементы пневмо­автоматики, а на рис. 5.10 — схема прямого регулирова­ния с использованием регуляторов прямого действия.

Все три схемы осуществляют регулирование пара­метров газообразных реагентов в зависимости от дав­ления электролита, которое в свою очередь определяет­ся давлением задающего инертного газа.

В связи с тем что для работы систем непрямого ре­гулирования требуется дополнительная энергия извне в

виде электричества или сжатого газа, разработчики ЭХГ в дальнейшем отказались от использования подоб­ных систем. В дальнейшем разработки были направле­ны на создание схем, использующих регуляторы пря­мого действия (рис. 5.11—5.13).

Перепад давления между окислителем и электроли­том стабилизируется с помощью пропорционального ре­гулятора прямого действия мембранного типа.

Существенным в данной системе является конструк­тивное объединение регулятора перепада и регулятора равенства давлений в единый пневматический узел, функциональная связь в котором осуществляется с по - 236

мощью нагруженных мембран. Такое конструктивное исполнение обеспечивает хорошие массо-габаритные ха­рактеристики. К недостаткам данной системы нужно отнести невозможность резервирования, опасность сме­шения реагентов и снижение метрологических харак­теристик из-за способа стабилизации перепада топливо— электролит посредством регулирования подачи топлива в зависимости от давления окислителя.

В другой аналогичной системе, представленной на рис. 5.14, регулирование перепада давления между реа­гентами и электролитом осуществляется с помощью комбинированного для обоих газов регулятора прямого действия.

Данное устройство должно иметь довольно высокие метрологические характеристики.

Известны система и средства регулирования перепа­да давления между реагентами и электролитом, осно­ванные на работе регулятора перепада давления сов­местно с предохранительным клапаном диафрагменного типа, защищающим генератор от повышения давления. Указанный регулятор позволяет поддерживать равенст­во давлений реакционных газов между собой и задан­ный перепад давления между реакционными газами и опорным давлением инертного газа, который подается в полость электролита.

Основным агрегатом в системе подачи реагентов яв­ляется регулятор перепада давления.

По принципу действия регуляторы подразделяются на регуляторы прямого и обратного действия. В регу­ляторе прямого действия открытие редукционного кла­пана происходит по направлению потока газа, закры­тие — противоположного. В регуляторах обратного дей­ствия высокое входное давление, действуя на клапан, создает дополнительное (к запорной пружине) усилие, благодаря которому улучшается герметичность регуля­тора при отсутствии расхода.

По способу управления регуляторы подразделяются на регуляторы непосредственного и дистанционного управления. В регуляторах непосредственного управле­ния настройки выходного давления осуществ­ляется за счет уменьшения сжатия задающей пружины, а в регуляторах дистанционного управления регулиров­ка выходного давления производится управляющим давлением сжатого газа.

Для некоторых вариантов ЭХГ необходимость в ди­станционном управлении отпадает и соответственно зна­чительно проще задавать опорное давление с помощью задающей пружины. Таким образом, анализ схем регу­ляторов показывает целесообразность применения схе­мы регулятора прямого действия без разработки непо­средственного управления.

Для надежной герметизации газовых полостей ЭХГ при длительных перерывах в работе, а также для их защиты от чрезмерно высоких давлений в случае ава­рийных режимов работы системы подачи и хранения реагентов необходимо перед редукторами установить ди­станционно управляемые запорные клапаны. С целью минимизации энергопотребления указанные клапаны должны быть с двумя устойчивыми положениями (им­пульсного переключения).

Высокие требования, предъявляемые к запорной ар­матуре, работающей в условиях агрессивной среды и возможной последующей кристаллизации электролита, требуют особого подхода к выбору уплотнительных устройств, их стойкости и стабильности.

Известные конструкции клапанов отличаются боль­шим разнообразием конструктивных вариантов, причем на конструкцию клапана и элементов значительно влия­ют технологические и эксплуатационные факторы. Раз­работка электромагнитных клапанов должна вестись с учетом обеспечения:

минимальных массы, габаритов и энергопотребле­ния при ограниченном рабочем токе;

весьма высокого уровня герметичности на высокоте­кучих средах (водород, гелии);

работоспособности при высоких температурах и воз­действии кислорода, водорода, раствора электролита, что накладывает значительные ограничения на выбор материала и исключает применение трущихся пар в рабочих плоскостях;

малых гидравлических сопротивлений конструкции; весьма высокого уровня надежности, превышающего достигнутые значения на существующих конструкциях, для аналогичных условий, данные о которых опублико­ваны в литературе.

Указанные условия накладывают значительные огра­ничения на выбор конструкций клапана и его элемен­тов.

Основными элементами, определяющими эксплуата­ционные качества клапана, являются: затвор, привод, разделитель между приводом и рабочей полостью, устройство фиксации затвора в одном из положений.

Затвор электромагнитного клагпана выполняется как из металла, так и с применением неметаллов. Уплотне­ние металл — металл не обеспечивает достаточной гер­метичности. Из эластичных уплотнителей наиболее раз­работаны резиновые элементы, однако их применение имеет недостаток (увеличенный ход затвора из-за упру­гих и остаточных деформаций резины, старения резины и изменения ее свойств во времени и ряд других), но основное преимущество резины — обеспечение высокой герметичности при относительно низкой удельной на­грузке, позволяют применять резину в качестве уплот­нения для затвора.

Электромагнитный привод является наиболее рацио­нальным для таких клапанов. Он отличается быстро­действием, надежностью, компактностью, не требует промежуточной рабочей среды и достаточно прост конст­руктивно.

Устройство для разделения полостей привода и кор­пуса с применением в качестве уплотнения штока саль­ника из-за значительного трения, а также возможного попадания рабочих агрессивных сред в данных условиях применять не рекомендуется. Один из путей решения этого вопроса — применение эластичных разделителей,

Позволяющих изолировать полость привода от среды.

Этот путь приводит к некоторому увеличению усилий привода за счет преодоления усилий от давления сре­ды на разделитель, однако для клапанов, работающих при низких давлениях, такое решение целесообразно.

Входной клапан, работающий на давлении до 1 МПа, не может выполняться таким образом. В этом случае возможно применение герметичного привода с плоским якорем (без трущихся пар) и использование мебраны только для центрирования якоря.

Устройства для фиксации затвора в одном из поло­жений известны с механической, пневматической и маг­нитной фиксацией. Механическая фиксация сложна и малонадежна, пневматическая требует малого измене­ния рабочих давлений в полостях клапана и усложняет конструкцию, магнитная фиксация наиболее проста, не требует тщательной обработки и испытаний.

При применении постоянных магнитов весьма важен вопрос о стабильности их свойств. Магнитная неста­бильность может иметь обратимый и необратимый ха­рактер. Необратимые изменения вызываются естествен­ным старением, воздействием вибрации и ударов. Обра­тимые изменения вызываются воздействием температу­ры и могут быть устранены повторным намагничиванием материала. Для обеспечения сохранения работоспособ­ности привода с учетом изменения свойств постоянных магнитов в расчет вводится коэффициент запаса, рав­ный 1,3—1,5.

С учетом анализа могут быть рекомендованы клапа­ны с электромагнитным вытяжным приводом, эластич­ным разделителем (мембраной), являющимся одновре­менно запирающим элементом клапана, встроенным фильтром на входе, фиксирующим элементом в виде вставки постоянного магнита и специальным седлом на корпусе, позволяющим ограничить деформацию резины и получить высокую герметичность затвора.

Для нормально открытого клапана может быть реко­мендован привод, воздействующий на затвор через пру­жину; это позволяет достаточно просто решить задачу без увеличения прохода по седлу из толкателя.

Для входного клапана высокого давления может быть выбран электромагнитный привод цилиндрического типа с плоским якорем.

Таким образом, все конструкции могут иметь мини­мальное количество трущихся пар, изолированных от рабочей среды.

Для контроля работы регулятора давления и защиты ЭХГ от чрезмерных повышений для понижений давлений реагентов применяют датчики давления.

Различают два основных типа контактных датчиков давления: со скользящим контактом и с изменяющимся зазором между контактами.

У датчиков первого типа имеется резистор с линей­ным сопротивлением, с ко­торым соприкасается один или несколько скользящих контактов. При перемеще­нии ламели по резистору электрическое сопротивле­ние изменяется пропорцио­нально изменению давле­ния.

Чувствительным элемен­том датчика второго типа (рис. 5.15) является мем­брана. При подаче ра­бочей среды мембрана про­гибается, перемещая толкателем среднюю контакт­ную пружину до промежуточного положения меж­ду верхним и нижним контактами. При увели­чении давления до значения верхней уставки контакт средней пружины замыкается с верхним контактом. При уменьшении давления до значения нижней уставки контакт средней пружины замыкается с нижним контак­том. Нижний и верхний пределы уставки датчика вы­бирают исходя из запорных свойств пористой структуры электрода.

Таким образом, система подачи реагентов в ЭХГ со­стоит из входного электромагнитного клапана, регуля­тора перепада давления и датчика давления рабочих реагентов.