In control valve applications, electric and pneumatic control valves are quite common. They are widely used in various fields, such as industrial production, chemical engineering, petrochemicals, and more. Although their basic purpose is similar, they differ significantly in structure, working principles, advantages, and disadvantages. Users often need clarification about choosing the right type due to a lack of understanding of their differences. This article will provide a detailed comparison between electric and pneumatic control valves. Understanding their distinctions will make it clearer whether to opt for a pneumatic control valve or an electric control valve.

1. Различные принципы работы

1.1 Пневматические регулирующие клапаны operate using compressed air as the power source, with a cylinder as the actuator. They are driven by electrical valve positioners, converters, solenoid valves, and position-holding valves, among other accessories. The process usually involves connecting, installing, and debugging the pneumatic actuator and control valve. There are single-acting and double-acting for pneumatic actuator . Single-acting actuators have a reset spring while double-acting actuators do not. If a single-acting actuator loses its original position or suddenly fails, the valve can automatically return to its initial open or closed state.

1.2 Электрические регулирующие клапаны, on the other hand, are powered by 220VAC or 380VAC electric motors and controlled by a 4~20mA signal. Inside the control valve, a controller converts the current signal into a stepping motor’s angular stroke signal. The motor rotates, driven by gears, levers, or gears combined with levers, to operate the valve stem, achieving either linear or angular stroke motion. During operation, the motor runs, and the gear rotation generates a positioning signal for the valve through a sliding potentiometer at the three-way joint. The valve then receives signals from the industrial automation control system to drive the valve and adjust the cross-sectional area between the valve core and valve seat to control the pipeline medium’s flow rate, temperature, pressure, and other process parameters. This achieves automated control functionality.

2. Пневматический регулирующий клапан и электрический регулирующий клапан имеют разную структуру

2.1 Электрический регулирующий клапан Структура

Электрический регулирующий клапан приводится в действие электродвигателем. Он состоит из электродвигателя, переключателя хода, привода, корпуса клапана, седла клапана и штока клапана. Электрический регулирующий клапан имеет три основные конструктивные формы: линейный тип, поворотный тип и угловой тип.

 In the linear type electric control valve, the electric motor drives the valve stem to move upward and downward, controlling the valve’s opening and closing.

 The electric motor, reducer, and gears work together in the rotary-type electric control valve. The motor drives the gears to rotate, and the reducer then drives the valve stem to rotate, controlling the valve’s opening and closing.

The angular type electric control valve comprises an electric motor, reducer, worm wheel, worm, and valve body. The valve stem is driven to rotate by the worm wheel and worm reduction, controlling the valve’s opening and closing.

2.2 Пневматический регулирующий клапан Структура

Пневматический регулирующий клапан - это тип регулирующего клапана, приводимого в действие сжатым воздухом. Он состоит из пневматического привода, корпуса клапана, седла клапана и штока клапана. Пневматический регулирующий клапан имеет две основные конструктивные формы: одностороннего и двустороннего действия.

The single-acting pneumatic control valve comprises a cylinder, valve cover, spring, and valve body. Compressed air from the gas guiding valve enters the cylinder, causing the piston to move up and down, driving the valve stem to control the valve’s opening and closing. When the gas supply is cut off, the spring reset the valve to its original position.

The double-acting type pneumatic control valve comprises a cylinder, valve cover, gas guiding valve, and valve body. Compressed air from the gas supply enters one of the two chambers in the cylinder, causing the piston to move forward or backward, driving the valve stem to control the valve’s opening and closing. When the gas supply changes direction, the piston in the cylinder moves in the opposite direction, this will return the valve stem to its original position.

3. Пневматический регулирующий клапан и электрический регулирующий клапан имеют разные принципы установки

3.1 Принципы установки пневматического регулирующего клапана 

 The pneumatic control valve should be installed at a certain height from the ground, leaving enough space above and below for the valve disassembly and maintenance. It is essential to ensure easy operation, observation, and adjustment for control valves equipped with pneumatic valve positioners and handwheels.

 Регулирующий клапан должен устанавливаться на горизонтальном трубопроводе и быть перпендикулярным к трубопроводу по вертикали. Как правило, клапан необходимо поддерживать снизу. В особых случаях, когда регулирующий клапан должен быть установлен горизонтально на вертикальном трубопроводе, необходимо обеспечить соответствующую опору (за исключением регулирующих клапанов малого диаметра). Во время установки избегайте дополнительных нагрузок на регулирующий клапан.

 1.The working environment temperature for the control valve should be within (-30 to +60) degrees, with relative humidity not exceeding 95%.

 2.There should be straight pipe sections before and after the control valve, with a length at least 10 times the pipe diameter (10D) to avoid affecting the flow characteristics due to a short straight pipe.

 3. When the diameter of the control valve differs from that of the processing pipeline, a reducing pipe should be used for the connection. For small-diameter control valves, threaded connections can be used. The direction arrow on the valve body should match the flow direction.

4. A bypass pipeline should be set up to facilitate switching or manual operation, allowing adjustment and maintenance of the valve without stopping the process.

 5. Before installation, thoroughly clean the pipeline of foreign substances such as dirt and welding slag.

3.2 Принципы установки электрического регулирующего клапана:

Место установки, высота и направление входа/выхода электрического регулирующего клапана должны соответствовать проектным требованиям, а соединения должны быть надежными и герметичными. 

Электрический регулирующий клапан может быть подключен к трубопроводу с помощью различных видов соединений. Основные способы соединения включают резьбовые, фланцевые и сварные соединения. При использовании фланцевых соединений при температуре свыше 350°C следует выбирать высокотемпературные материалы болтов, чтобы предотвратить ползучую релаксацию болтов, фланцев и прокладок.

Before installing the electric control valve, a visual inspection must be carried out, and the valve nameplate should comply with the provisions of the current international standard GB12220, “General Valve Marking.” For valves with working pressure greater than 1.0MPA and serving as shut-off valves on main pipelines, strength and tightness tests must be conducted, and they can only be used if they pass the test. Other valves may not require separate tests and can be inspected during the system pressure test. 

During the strength test, the test pressure is 1.5 times than the nominal pressure and it should be held for at least 5 minutes. The valve body and packing should have no leakage. 

Во время испытания на герметичность испытательное давление составляет 0,3 МПа, и испытательное давление должно оставаться постоянным в течение всего времени испытания, как указано в таблице 2. Уплотнительная поверхность тарелки клапана не должна иметь утечек, чтобы считаться квалифицированной. 

Номинальный диаметр: DN15-500.

4. Пневматический регулирующий клапан и электрический регулирующий клапан имеют разные приводы.

4.1 Основными соображениями при выборе приводов являются

① Надежность;

② Экономика;

③ Плавная работа и достаточный крутящий момент на выходе

④ Простая структура и легкое обслуживание.

 A comparison of electric and pneumatic actuators: Electric actuators can only be used for intermittent operations, this makes them unsuitable for continuous closed-loop operations. On the other hand, pneumatic actuators have overload resistance and require no maintenance throughout their lifespan. They don’t need oil changes or other lubrication. Their standard service life can reach up to one million switch cycles, making pneumatic actuators superior to other valve actuators.

 Безопасность

Пневматические приводы могут использоваться во взрывоопасных средах, особенно в следующих ситуациях:

- Необходимы взрывозащищенные клапаны (например, клапаны Namur с соответствующими катушками) 

- Клапаны или клапанные острова, требующие установки вне взрывоопасной зоны

- Пневматические приводы, используемые во взрывоопасной зоне и приводимые в действие воздушными шлангами

- Электрические приводы стоят дороже и не подходят для использования во взрывоопасных средах.

Устойчивость к перегрузкам 

 Электрические приводы быстро достигают предела крутящего момента, когда требуется дополнительный крутящий момент или особое усилие. С другой стороны, пневматические приводы демонстрируют преимущество в устойчивости к перегрузкам, особенно в тех случаях, когда привод клапана периодически открывается или закрывается в течение длительного времени, поскольку отложения или спекание могут увеличить начальный крутящий момент. Используя пневматические компоненты, можно легко увеличить рабочее давление, усилие или крутящий момент.

Экономическая эффективность  

In most water and wastewater treatment applications, valve actuators mainly operate in an on/off mode or even manually. Therefore, pneumatic components offer a promising rationalization prospect. Compared to electric actuators, which require monitoring functions like temperature monitoring, torque monitoring, conversion frequency, and maintenance cycles to be designed into the control and testing systems, pneumatic actuators don’t need any monitoring and control functions besides end position sensing and air source treatment. Pneumatic actuators have low costs, making automation of manual valve actuators more feasible.

Сборка 

Пневматическая технология проста. Установить пневматические приводы на приводную головку клапана и подключить к устройству обработки источника воздуха очень просто. Не требующая обслуживания конструкция пневматических приводов обеспечивает простоту использования и готовность к работе. 

Компоненты

Pneumatic components have higher vibration resistance, sturdiness, and durability and are less likely to get damaged. Even high temperatures won’t damage corrosion-resistant components. Electric actuators consist of numerous components and are relatively more prone to damage.

Технология

Linear actuators directly act on the closing device, while swing actuators only need a piston and a driving shaft to convert “linear compressed air force” into swing motion. Using pneumatic actuators also allows for easy implementation of slow motion, achieved through simple and cost-effective flow control components. Electric actuators experience significant energy loss when supplied energy is converted into motion. This is primarily due to electric motors converting most of the energy into heat and using gearboxes.

5. Анализ пневматических и электрических регулирующих клапанов

In most industrial control applications, pneumatic control valves are commonly used. They are more economical than electric and hydraulic options because they utilize compressed air as the driving force. The simple structure makes them easy to handle and maintain. From a maintenance perspective, pneumatic control valves are easier to operate and calibrate, allowing for convenient on-site interchangeability.

Одно из их главных преимуществ - безопасность. Они идеально подходят для использования в легковоспламеняющихся и взрывоопасных средах, если оснащены позиционерами. В отличие от них невзрывозащищенные или изначально безопасные электрические сигналы несут в себе потенциальный риск искрения и возникновения пожара. Хотя электрические регулирующие клапаны получили более широкое применение, пневматические регулирующие клапаны по-прежнему доминируют в химической промышленности благодаря своим неотъемлемым преимуществам.

Однако пневматические регулирующие клапаны имеют и некоторые недостатки. Они имеют более медленное время отклика, низкую точность управления и слабую устойчивость к отклонениям из-за сжимаемости газов, особенно при использовании больших пневматических приводов, когда заполнение и удаление воздуха из цилиндра занимает некоторое время. Тем не менее, это может быть вполне приемлемо для многих промышленных сценариев, где не требуется высокая точность управления, сверхбыстрая реакция или сильная устойчивость к отклонениям.

С другой стороны, электрические регулирующие клапаны находят основное применение на электростанциях или атомных электростанциях, где водяные системы высокого давления требуют плавных, стабильных и постепенных процессов. Их основное преимущество заключается в высокой стабильности и постоянной тяге, доступной пользователям. Максимальное усилие, создаваемое электроприводами, может достигать 225 000 кгс, что сопоставимо с гидравлическими приводами, но последние значительно дороже. Электрические приводы обладают отличной устойчивостью к отклонениям, обеспечивая относительно постоянную тягу или крутящий момент на выходе, что позволяет эффективно противостоять дисбалансу среды и достигать точного управления параметрами процесса. Следовательно, они обычно демонстрируют более высокую точность управления, чем пневматические приводы. В паре с сервоусилителем можно легко добиться двунаправленной взаимозаменяемости и установить отказоустойчивое состояние положения клапана (удержание/открытие/закрытие). Электрические приводы могут оставаться в исходном положении в случае неисправности, в то время как пневматические приводы требуют комбинации защитных систем для удержания положения.

However, electric control valves have their drawbacks. Their structures are more complex, this makes them more prone to malfunctions. Due to their complexity, they require maintenance personnel with higher technical expertise. Frequent adjustments can lead to motor overheating, necessitating thermal protection, and may accelerate wear on reduction gears. Additionally, electric control valves operate slower than pneumatic and hydraulic actuators, taking longer to respond from the moment the controller sends a signal until the control valve moves to the corresponding position. This is an area where they lag behind pneumatic and hydraulic actuators.

6.Различия в области применения электрических и пневматических регулирующих клапанов

6.1. Область применения Электрические регулирующие клапаны подходят для точного управления в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и легкой промышленности. Они могут работать с различными средами и обеспечивают надежную работу с высокой точностью регулирования.

6.2. Application Scope of Pneumatic Control Valves are ideal for controlling large flow rates, low pressures, and general media in industries like metallurgy, chemical, textile, papermaking, water treatment, and pharmaceuticals. They are known for the easy operation, affordability cost , and high reliability performance. 

В заключение следует отметить, что как электрические, так и пневматические регулирующие клапаны имеют свои плюсы и минусы. Выбор должен основываться на конкретных требованиях к применению. Для выбора наиболее подходящего регулирующего клапана следует учитывать такие факторы, как точность регулирования, расход, рабочее давление и тип среды.

7. BCST’s Recommendations for Selecting Pneumatic and Electric Control Valves

(1) рекомендуется использовать импортные электронные приводы с клапанами отечественного производства для целей окультуривания или новых проектов.

(2) Diaphragm actuators have limitations such as insufficient thrust, low stiffness, and large size, but they are still the most widely used actuators, due to their simple structure.

(3) Учет особенностей поршневых приводов:

- Если тяга пневматических мембранных приводов недостаточна, выбирайте поршневые приводы, чтобы увеличить выходное усилие. Для регулирующих клапанов с большим перепадом давления (например, паровых отсечных клапанов среднего давления), когда DN≥200, могут потребоваться поршневые приводы даже двойного действия.

- Для обычных регулирующих клапанов поршневые приводы могут использоваться вместо мембранных, что значительно уменьшает размеры привода. С этой точки зрения ожидается, что использование пневматических поршневых регулирующих клапанов будет расти.

· For angular-stroke control valves, the typical structure of the actuator is a dual-piston gear-rack rotation type. It’s worth emphasizing that the traditional “linear-stroke piston actuator + angle iron + crank connecting rod” approach is still widely used.