РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

Заявляемая полезная модель относится к области регулирующей арматуры магистральных трубопроводов, в частности, к регуляторам давления газа, предназначенным для редуцирования газа высокого давления и автоматического поддержания его на заданном уровне, и может быть использована в системах газоснабжения и других промышленных объектах для обеспечения природным газом производственных и коммунальных потребителей.
Из предшествующего уровня техники известен регулятор давления, включающий исполнительный механизм, содержащий корпус, перфорированный вкладыш, подвижный затвор, расположенную на выходе газа проницаемую перегородку и размещенную в полости, образованной корпусом, вкладышем и перегородкой, набивку. При этом набивка выполнена из металлической проволочной сетки с диаметром проволоки не более 0,3 мм при коэффициенте объемного заполнения полости проволокой сетки не менее 0,04 (патент № 2143721 на изобретение «Регулятор давления», дата подачи 30.03.1998 г., опубликовано 27.12.1999 г.).
Кроме того, известен регулятор давления, включающий исполнительный механизм с корпусом и подвижным дросселирующим устройством и управляющий механизм, содержащий корпус, сообщающийся с исполнительным механизмом и газопроводом, разделенный перегородкой на камеры, в одной из которых расположен клапан с нажимной втулкой и седлом и размещенный на оси двуплечий рычаг, одно плечо которого связано с установленной в другой камере мембраной, уравновешенной пружиной, а второе плечо - с нажимной втулкой, причем двуплечий рычаг выполнен Г-образным, ось рычага установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связана с подвижным дросселирующим устройством, при этом направление возвратно-поступательного движения оси рычага параллельно оси нажимной втулки, причем ось рычага связана с подвижным дросселирующим устройством, посредством подпружиненного штока, опирающегося на наклонную плоскую или криволинейную рабочую поверхность копира, установленного на подвижном дросселирующем устройстве (патент РФ № 2128359 на изобретение «Регулятор давления», дата подачи 17.09.1997 г., опубликовано 27.03.1999 г.).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является регулятор давления газа РДМ, содержащий исполнительный механизм с корпусом и подвижным дросселирующим устройством и управляющий механизм, содержащий корпус, сообщающийся с исполнительным механизмом и газопроводом и разделенный перегородкой на камеры, в одной из которых расположен клапан с нажимной втулкой и седлом и размещенный на оси двуплечий рычаг, одно плечо которого связано с установленной в другой камере мембраной, уравновешенной пружиной, а второе плечо - с нажимной втулкой, при этом двуплечий рычаг выполнен Г-образным, ось рычага установлена с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения и связана с подвижным дросселирующим устройством. Управляющий механизм расположен горизонтально. Для осуществления обратной связи на поршне закреплен копир. Устройство обратной связи состоит из втулки, уплотненной кольцами, внутри которой расположен регулируемый толкатель с роликом, входящим в контакт с копиром (см., например, emis-kip.ru/pics/books/152file.pdf).
3
Недостатки известных технических решений связаны с изменением в течение эксплуатации технических характеристик: снижением точности регулирования заданного давления газа на выходе, появлением ступенчатых режимов работы с полными остановками регулятора, особенно при малых и быстро изменяющихся расходах, в том числе, порядка 500 м/ч и менее, или возникновением автоколебаний в работе исполнительного механизма, которые, в свою очередь, приводят к разбалансированию расхода газа отбираемого потребителем и расхода газа, проходящего через регулятор, и скачкам выходного давления газа, что, в свою очередь, требует вмешательства обслуживающего персонала для устранения сбоев в работе устройства.
Причины возникновения недостатков могут быть связаны с одновременным проявлением таких факторов, как быстродействие управляющего устройства и высокая амплитуда управляющего сигнала, возникающая из-за задержки начала реагирования управляющего механизма, которая, в свою очередь, определяется его конструктивными особенностями у аналогов, и, прежде всего, у прототипа.
Быстродействие управляющего механизма зависит от скорости выдачи управляющего сигнала при рассогласовании заданного и фактического выходного давления и величины изначального рассогласования, при котором управляющий механизм начинает реагировать на процесс регулирования, причем, чем больше разница, тем больше амплитуда начального сигнала, поступающего от управляющего механизма и наоборот.
Перечисленные недостатки прототипа особенно явно проявляются при малых и быстро изменяющихся расходах газа, например, расходы газа на ГРС в летний сезон, и в сочетании с малым объемом выходного коллектора газа на потребителя, например, режимы работы регулятора на компрессорных станциях.
В конструкции известного регулятора РДМ предусмотрено горизонтальное расположение управляющего механизма, что приводит к неравномерному износу мембраны и ее смещению вниз под действием силы тяжести, что, в свою очередь, нарушает соосность в сопрягаемых элементах типа «конус в конусе» - между мембраной и толкателем, причем изначально соосность могла быть также нарушена и при серийном (массовом) изготовлении регулятора. Данное обстоятельство влияет на увеличении сил трения в гильзе толкателя и временную задержку начала реагирования управляющего механизма на изменение выходного давления и, соответственно, начала работы исполнительного механизма.
Кроме того, в РДМ применена механическая отрицательная обратная связь, реализуемая при смещении оси качания Г-образного рычага за счет движения копира на дросселирующем устройстве с наклонной поверхностью и подпружиненного штока, а значит, и клапана с нажимной втулкой управляющего устройства в сторону, обратную их необходимому воздействию, служащему для устранения рассогласования заданного и выходного давления, что приводит к уменьшению амплитуды управляющего сигнала и, как следствие, снижению точности регулирования. При этом осуществление механической обратной связи способствует дополнительному боковому воздействию на толкатель и, тем самым, дополнительно увеличивает силу трения в гильзе толкателя.
Выполнение Г-образного рычага с неравными плечами и обратным соотношением 2:1 необходимо в прототипе для быстрой отработки изменения выходного параметра, учитывая временную задержку начала реагирования управляющего устройства, что, тем не менее, способствует увеличению скорости реакции самого регулятора и, следовательно, ведет к повышению вероятности вхождения регулятора в режим автоколебаний, для исключения которых и была предусмотрена механическая обратная связь, которая частично может снизить такую вероятность, но полностью ее не убирает.
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести и проблемы редуцирования давления при малых расходах газа из-за неспособности плавно регулировать дросселирующим устройством проходные сечения малых размеров в выходной втулке. Имеющийся зазор между дросселирующим устройством и выходной втулкой, достаточно большой по размеру - 0,25 мм, не исключает возможности оседания в нем различных механических включений, а также при возвратно-поступательном движении дросселирующего устройства способствует их постепенному выносу в зону радиального уплотнения штока с выходной втулкой, что приводит к ускоренному выводу из строя и уплотнения, и, соответственно, регулятора в целом. Кроме того, повреждается наружная поверхность дросселирующего устройства. Наличие между конструктивными элементами зазора такого размера также не препятствует перетеканию газа в соседние, еще не открытые или полуоткрытые дросселирующим устройством отверстия выходной втулки, при этом резко увеличивается минимальная порция поступающего газа, даже при незначительном открытии дросселирующего устройства, что негативно сказывается на плавности регулирования давления, особенно при малых расходах газа.
К недостаткам прототипа следует отнести и недостаточную степень шумопоглощения, особенно на высоких частотах. Это связано с применением в качестве набивки плотно сплетенной тонкой проволоки, из-за которой при некоторых режимах работы регулятора возникает неприятное звуковое воздействие на окружающих, похожее на свист. Такого рода плотная набивка в случае недостаточной очистки поступающего газа быстро забивается грязью. С учетом того, что проницаемая перегородка выполнена не сплошной, а в виде отдельных выгнутых по ходу газа прутков, набивка может быть вынесена в выходной газопровод из-за отсутствия ее надежного крепления.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является расширение арсенала средств указанного назначения.
Указанный технический результат достигается тем, что регулятор давления газа, включающий исполнительный механизм, содержащий корпус, выходную перфорированную втулку с проходным сечением для редуцирования давления газа, установленную с зазором по отношению к дросселирующему устройству, а также выходное устройство с выходным отверстием и размещенной внутри набивкой и управляющий механизм, содержащий корпус, толкатель, связанный с чувствительным элементом в виде мембраны с опорой, уравновешенной, с одной стороны, пружиной, с другой - клапаном с размещенной в нем пружиной, связанным с нажимной уплотнительной втулкой, опирающейся на седло, согласно полезной модели управляющий механизм смонтирован на вертикальной оси перпендикулярно относительно корпуса исполнительного механизма, клапан с нажимной уплотнительной втулкой взаимодействует с мембраной через толкатель, сопрягаемый с плоской опорой мембраны по сфере, выходное отверстие представляет собой перфорированный диск, зазор между выходной перфорированной втулкой и дросселирующим устройством в зоне со степенью открытия проходного сечения от 0 до 90% выполнен величиной менее 0,1 мм, а зазор в зоне со степенью открытия проходного сечения от 90 до 100% выполнен в выходной втулке величиной не менее 0,3 мм, при этом набивка представляет собой спирали из пружин, наружные габариты которых в любой плоскости составляют не менее диаметра отверстий или ширины пазов перфорированного диска и выходной втулки.
Полезная модель поясняется чертежами, где
Фигура - поперечный разрез регулятора давления газа.
Предлагаемое к защите устройство состоит из исполнительного и управляющего механизмов. Исполнительный механизм содержит корпус 1, выходную перфорированную втулку 2, подвижное дросселирующее устройство 3, установленное с возможностью возвратно-поступательного перемещения и уравновешенное пружиной 4, и выходное устройство шумопоглощения, имеющее выходное отверстие в виде перфорированного диска 5 и расположенной перед ним по ходу газа набивки 6. Управляющий механизм содержит крышку 7 и корпус 8, чувствительный элемент в виде мембраны 9 с опорой 10, при этом мембрана уравновешена с одной стороны пружиной 11, с другой - клапаном 12 с нажимной уплотнительной втулкой 13 и второй пружиной 14, опирающейся на седло 15. Мембрана зажата между корпусом управляющего механизма 8 и крышкой 7.
Взаимосвязь клапана 12 с нажимной втулкой 13 и пружиной 14 и мембраны 9 с пружиной 11 осуществлена через толкатель 16, который имеет сферическую часть, сопрягаемую с плоской опорой 10 мембраны, и может быть выполнен составным. Такое сопряжение элементов без жесткой механической связи позволяет исключить радиальные усилия, возникающие при одновременном движении всех взаимосвязанных конструктивных элементов в вертикальном осевом направлении, причем вне зависимости от степени их фактической соосности, благодаря чему значительным образом уменьшаются силы трения, воздействующие на толкатель и клапан с нажимной втулкой, установленные в соответствующих направляющих стаканах, внутри которых они перемещаются. В результате достигается плавность хода не только в начале движения, но и при последующем перемещении, что положительным образом сказывается на точности редуцирования. Помимо этого, не требуется изначальной точной настройки соосности элементов при промышленном изготовлении.
В отличие от прототипа, у которого управляющий механизм имеет горизонтальное расположение, в предлагаемом устройстве управляющий механизм вертикально ориентирован и установлен перпендикулярно, но также симметрично, как у прототипа, относительно корпуса 1 исполнительного механизма. Вертикальное расположение управляющего механизма позволяет в отличие от горизонтального и/или наклонного исключить боковые силы трения между толкателем и клапаном с нажимной втулкой, возникающие от действия силы тяжести.
Перфорация выходной втулки 2, образующая проходное сечение для протекания газа, может быть выполнена или в виде сквозных отверстий, расположенных кольцевыми рядами или в шахматном, или ином порядке с перекрытием отверстий соседних рядов, или пазов, параллельно расположенных вдоль ее цилиндрической образующей. Такое расположение отверстий или пазов позволяет при перемещении подвижного дросселирующего устройства постепенно и плавно по отношению к его ходу увеличивать площадь проходного сечения, что является особенно важным в начальный момент открытия зоны отверстий (пазов), т.е. при малых расходах поступающего газа - до 100-500 м3/ч и способствует повышению точности редуцирования давления газа. Отверстия могут быть выполнены, например, круглыми одинакового или разного диаметра, а пазы - одинакового овального сечения, или с переменной шириной по длине, или треугольного, или иного сечения.
В корпусе 1 между подвижным дросселирующим устройством 3 и выходной перфорированной втулкой 2 в зоне, определяемой степенью открытия отверстий (пазов) проходного сечения от 0 до 90%, выполнен зазор, минимально технологически возможный, а именно, величиной менее 0,1 мм, благодаря чему редуцирование давления газа, в основном, осуществляется непосредственно в зоне только частично открытых отверстий или пазов, т.к. перетеканию значительного расхода газа в соседние еще неоткрытые отверстия препятствует большое гидравлическое сопротивление, создаваемое в малом по величине зазоре. В зоне, определяемой степенью открытия проходного сечения от 90 до 100% в выходной втулке, выполнен увеличенный по сравнению с первым кольцевой зазор 17 размером не менее 0,3 мм. Зазор 17 соединяет крайний ряд отверстий или пазов и служит для сбора и уноса с потоком газа мелких механических частиц и прочих загрязнений, что позволяет избежать попадания их на уплотнение 18, размещенное между дросселирующим устройством и выходной втулкой, тем самым, увеличивая срок его службы.
Дросселирующее устройство разделяет внутреннее пространство корпуса 1 исполнительного механизма на две полости А и Б, при этом под мембраной, расположенной в управляющем механизме, имеются полости В и Г.
Выходное устройство состоит из перфорированного диска 5 толщиной не менее 6 мм, установленного перпендикулярно течению газа на выходе из корпуса исполнительного механизма и не плотной набивки 6, в качестве которой используют, например, спирали из цилиндрических, конических или иной формы пружин, наружный габарит которых в любой плоскости составляет не менее диаметра отверстий или ширины пазов перфорированного диска и выходной втулки. Набивка может быть выполнена из проволоки толщиной не менее 0,5 мм, или иных других газопроницаемых элементов. Набивка размещена между выходной втулкой и перфорированным диском, отверстия в котором расположены симметричными рядами в виде концентрических окружностей и выполнены диаметром не менее 4,0 мм. Диаметр отверстий перфорированного диска в одном ряду одинаков, отверстия разных рядов могут иметь как одинаковый, так и разный размер, при этом количество отверстий в рядах может быть также как одинаковым, так и различным. Общее количество отверстий в диске выполнено конструктивно максимально возможным с минимальными зазорами между отверстиями. Таким образом, достигается различная скорость истечения газа из выходного устройства в виде концентрических слоев на выходе из диска в радиальном сечении и происходит значительное снижение общего уровня шума, особенно высокочастотного.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Регуляторы давления автоматически поддерживают постоянное давление в точке отбора импульса независимо от интенсивности потребления газа. При регулировании давления происходит снижение начального более высокого давления на конечное более низкое. Это достигается автоматическим изменением степени открытия дросселирующего устройства, вследствие чего автоматически изменяется гидравлическое сопротивление проходящему потоку газа.
Чувствительный элемент управляющего устройства - мембрана 9 сравнивает сигналы задатчика - пружины 11 и текущего значения выходного регулируемого давления, разница между давлениями формируется в командный сигнал, который преобразуется в регулирующее воздействие и соответствующее перемещение дросселирующего устройства 3. Принцип работы регуляторов давления газа основан на регулировании давления по отклонению фактического давления от заданного значения.
Газ, поступающий из магистрального трубопровода под высоким давлением, проходит через регулятор давления, снижая его до заданной величины при дросселировании. В случае превышения давления газа на выходе из регулятора против заданной величины такое изменение выходного давления газа передается в полость В, расположенную под мембраной 9 и в полость А исполнительного механизма. При повышении давления в полости В мембрана прогибается вверх и воздействует на пружину 11, которая до этого уравновешивала мембрану при заданном номинальном давлении за счет соответствующей настройки регулировочного винта 19, и мембрана освобождает сопрягаемый с ней толкатель 16, который удерживал клапан 12 с нажимной втулкой 13 в равновесном положении. За счет воздействия нижней пружины 14 клапан 12 прикрывает проходное сечение седла 15, тем самым, расход газа, проходящего через седло, уменьшается и, соответственно, снижается давление в расположенной в нижней части управляющего устройства полости Г, соединенной с ней полости Б исполнительного механизма. В результате перепад давлений между полостями А и Б уменьшается или становиться равен нулю и дросселирующее устройство 3 за счет усилия пружины 4, которая до этого была уравновешена перепадом давлений между полостями А и Б, создаваемым при течении газа из полости Г через дроссельную шайбу 20 малого сечения в полость В и далее в выходной газопровод, смещается в сторону закрытия проходного сечения выходной перфорированной втулки 2. Таким образом, сокращается расход газа, поступающего в выходной газопровод, что приводит, в свою очередь, к снижению выходного давления газа до заранее настроенного регулировочным винтом 19 значения и установления равновесного состояния при новых изменившихся условиях, вызванных первоначальным изменением выходного давления, например, снижением отбора газа потребителем. В случае понижения давления газа в выходном газопроводе регулятор аналогичным образом автоматически поддерживает ранее настроенное выходное давление.
Преимущества предлагаемого устройства заключаются в повышении точности поддержания заданного давления на выходе регулятора за счет высокой чувствительности к малейшему изменению выходного давления при сохранении плавности хода. Улучшаются условия эксплуатации и срок службы. Помимо этого, при промышленном изготовлении и сборке регулятора не требуется точной соосности сопрягаемых элементов в управляющем устройстве, а вертикальное расположение управляющего устройства исключает воздействие сил тяжести на его работоспособность.