РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

Полезная модель относится к газовой промышленности, в частности, к регуляторам давления газа, устанавливаемым на трубопроводах для транспортировки и распределения газа, предназначенным для понижения давления в трубопроводе после регулятора и поддержания этого давления на заданном уровне независимо от изменений расхода газа и изменений входного давления.
Известные регуляторы давления газа обычно содержат основной корпус с входной и выходной полостями, разделенными перегородкой и соединенными с ними входным и выходным патрубками соответственно, с установленным в перегородке седлом клапана, которое служит для истечения газа из входной полости (высокого давления) в выходную полость. Регулирующий орган - рабочий клапан, расположенный в полости выходного давления, связан с измерительной частью регулятора - мембраной.
Усилие мембраны направлено на закрытие клапана и уравновешивается задающей пружиной, воздействующей на мембрану. При увеличении расхода давление в импульсе - трубопроводе, передающем выходное (регулируемое) давление под мембрану - падает, усилие мембраны, определяемое как произведение эффективной площади мембраны на давление, передаваемое импульсом, снижается. Усилие пружины оказывается больше, в результате равнодействующая этих сил оказывается направленной на открытие клапана; клапан открывается до тех пор, пока давление в импульсе не увеличится до заданного. Обратный процесс происходит при уменьшении расхода. Таким образом, перемещение клапана обусловлено балансом сил задающей пружины и силы, развиваемой мембраной.
Общая проблема всех регуляторов давления газа - уменьшение регулируемого давления при увеличении расхода (так называемая «падающая» или «наклонная» характеристика регуляторов давления газа прямого действия) [http://www.gazovik-gaz.ru/directory/reg/choise.html].
Известен регулятор давления газа производства фирмы О.М.Т. Оффичина Мекканика Тартарини С.р.Л. (IT), серия MF [http://tartarini.su/upload/iblock/la7/MN-MF-MR_hyvzrnf_12.2008_pdf], включающий корпус с входной и выходной полостями, разделенными перегородкой и соединенными с ними входным и выходным патрубками одинакового диаметра, с установленным в перегородке седлом клапана, которое служит для истечения газа из входной полости (высокого давления) в выходную полость. Регулирующий орган - рабочий клапан, расположенный в полости выходного давления, связан с измерительной частью регулятора - мембраной. Проблему уменьшения давления при увеличении расхода производители решают увеличением диаметра мембраны, что ведет к увеличению управляющих клапаном сил в балансе сил задающей пружины и силы, развиваемой мембраной.
Однако это не позволяет при увеличении расхода газа через регулятор давления обеспечить сохранение точности регулирования ±5%
Кроме того, это ведет к увеличению размеров и материалоёмкости регулятора.
Известен также регулятор давления газа производства фирмы О.М.Т. Оффичина Мекканика Тартарини С.р.Л. (IT), серия MN [http://tartarini.su/upload/iblock/la7/MN-MF-MR_hyvzrnf_12.2008_.pdi], включающий корпус с входной и выходной полостями, разделенными перегородкой и соединенными с ними входным и выходным патрубками, с установленным в перегородке седлом клапана, которое служит для истечения газа из входной полости (высокого давления) в выходную полость. Регулирующий орган - рабочий клапан, расположенный в полости выходного давления, связан с измерительной частью регулятора - мембраной. Проблему уменьшения давления при увеличении расхода производители решают увеличением диаметра выходного патрубка относительно диаметра входного патрубка, что ведет к лучшим условиям истечения газа за клапаном.
Однако и это не позволяет при увеличении расхода газа через регулятор давления обеспечить сохранение точности регулирования ±5%
Кроме того, это ведет к увеличению размеров, материалоёмкости.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по конструкции и технической сущности являются регулятор давления газа серии FGR. Этот регулятор выпускается OOO «Фронтекс», г. Екатеринбург, [ТУ 4859-002-87839205-2010] Регулятор давления газа серии FGR включает основной корпус с входной и выходной полостями, разделенными перегородкой и соединенными с ними входным и выходным патрубками одинакового диаметра, с установленным в перегородке седлом клапана, которое служит для истечения газа из входной полости (высокого давления) в выходную полость. Регулирующий орган - рабочий клапан, расположенный в полости выходного давления, связан с измерительной частью регулятора - мембраной. Регуляторы выпускаются серийно и обладают хорошими характеристиками.
Однако конструкция этого регулятора не позволяет поддерживать выходное давление при значительном увеличении расхода газа, выходное давление падает, что не позволяет повысить расход газа, проходящего через регулятор давления газа, при сохранении точности регулирования ±5%.
В основу полезной модели положена задача расширения функциональных возможностей регулятора давления за счет сохранения точности регулирования выходного давления при повышении расхода газа, проходящего через регулятор давления.
Поставленная задача решается тем, что в регуляторе давления газа, содержащем корпус, в котором выполнены внутренние пересекающиеся сквозной S-образный горизонтальный канал и сквозной I-образный (цилиндрический) вертикальный канал, которые в центре разделены горизонтальной пластинчатой перегородкой с отверстием, при этом в корпусе на концах S-образного канала выполнены входной и выходной фланцы, предназначенные для крепления регулятора в магистральном газопроводе, а на концах I-образного (цилиндрического) вертикального канала выполнены верхний и нижний фланцы, пластинчатая перегородка разделяет внутренние каналы корпуса на две части, образуя соответственно входную полость и выходную полость, к нижней поверхности верхнего фланца крепится колонка, а к верхней поверхности - корпус мембранной коробки с крышкой, на которой закреплен стакан, в отверстии верхней крышки которого установлен с возможностью вращения винт, который посредством резьбового соединения обеспечивает возможность перемещения регулировочной нажимной шайбы, и устанавливает тем самым степень сжатия пружины, которая нижней частью опирается на опорную шайбу, мембранная коробка содержит эластичную мембрану и жесткий мембранный диск, при этом внешние сегменты эластичной мембраны жестко закреплены между корпусом и крышкой мембранной коробки, образуя тем самым изолированные надмембранную полость и подмембранную полость, в крышке мембранной коробки выполнены два отверстия, в одном из которых закреплен сапун, а в другом - указатель положения мембраны, на нижнем фланце закреплена крышка, в отверстии пластинчатой перегородки установлено седло, на штоке регулятора, установленном с возможностью перемещения вдоль оси седла, закреплены опорная шайба, жесткий мембранный диск и эластичная мембрана, расположенные в мембранной коробке, плунжерный механизм, расположенный в колонке, установленный в ней на кольцах резиновых уплотнительных и рабочий клапан, импульсная трубка одним концом пневматически связана с подмембранной полостью, а другой конец импульсной трубки предназначен для соединения с трубопроводом за регулятором, согласно полезной модели, на крышке нижнего фланца укреплен изолирующий элемент - втулка, при этом рабочий клапан установлен во втулке на кольце резиновом уплотнительном, установленном в кольцевой канавке, выполненной на рабочем клапане, и в корпусе регулятора, втулке, крышке нижнего фланца, корпусе мембранной коробки выполнен канал, в который впрессована дренажная трубка, которая пневматически связывает подмембранную полость и подклапанную область
При этом:
- на седле выполнен наружный кольцеобразный выступ;
- в верхней части рабочего клапана выполнена кольцевая, трапецевидная в сечении, канавка, в которую установлена прокладка уплотнительная из силиконовой резины «KSIL 40» «SILICONE INGENEERING» (Великобритания);
- эластичная мембрана изготовлена из силиконовой резины «KSIL 40» «SILICONE INGENEERING» (Великобритания).
Нами было обнаружено, что в выходной полости регулятора давление выше, чем в трубопроводе за регулятором, причем разница этих давлений прямо пропорциональна расходу газа, проходящего через регулятор. Вследствие этого появляется дополнительная сила, действующая на рабочий клапан. Эта сила вмешивается в баланс сил задающей пружины и силы, развиваемой мембраной, и действует в сторону закрытия клапана. Действие этой силы (здесь и далее - сила раскомпенсации рабочего клапана) компенсируется падением давления и уменьшением усилия, развиваемого мембраной. Вследствие этого при увеличении расхода наблюдается падение регулируемого давления в трубопроводе за регулятором.
При существующем уровне развития техники допустимые колебания регулируемого давления - ±5% от заданного, что накладывает ограничения на величину максимального расхода регулятора. Для обеспечения необходимой точности регулирования ±5% на всем диапазоне возможных расходов (для данного регулятора) необходимо исключить воздействие силы раскомпенсации на рабочий клапан, что позволит обеспечить полный ход рабочего клапана без влияния силы раскомпенсации на баланс сил задающей пружины и силы, развиваемой мембраной.
Введение в регулятор давления изолирующего элемента - втулки, герметично установленной в нижней крышке регулятора с внутренним диаметром, соответствующим наружному диаметру клапана регулятора позволяет создать подвижное герметичное соединение втулки с клапаном, что обеспечит изоляцию нижней горизонтальной поверхности клапана от динамических потоков газа в выходной полости регулятора, что и исключит возникновение силы раскомпенсации и её влияние на баланс сил задающей пружины и силы, развиваемой мембраной. Это позволит повысить максимальный расход газа, проходящего через регулятор давления газа, при сохранении точности регулирования ±5% .
Выполнение в корпусе регулятора, втулке, крышке нижнего фланца, корпусе мембранной коробки дренажной трубки, которая пневматически связывает подмембранную полость и подклапанную область, позволило соединить объём, образуемый рабочим клапаном, втулкой и крышкой нижнего фланца, с импульсным каналом. Этот дренаж необходим для того, чтобы избежать в указанном объёме компрессионных процессов.
Выполнение на седле наружного кольцеобразного выступа, в который рабочий клапан при закрытии упирается своей наружной металлической частью, исключает прорезание седлом прокладки резиновой уплотнительной рабочего клапана.
Изготовление прокладки резиновой уплотнительной рабочего клапана, а также эластичной мембраны из силиконовой резины обеспечило прочность этих элементов и возможность выдерживать перепады температур.
Конструктивное выполнение регулятора давления газа представлено на чертежах.
На фиг.1 представлен общий вид регулятора в разрезе;
на фиг.2 представлен более детализированный вид клапана и седла;
на фиг.3 показан более детализированный вид плунжерного механизма. Регулятор давления газа содержат корпус 1, в котором выполнены внутренние пересекающиеся сквозной S-образный горизонтальный канал и сквозной 1-образный (цилиндрический) вертикальный канал, которые в центре разделены горизонтальной пластинчатой перегородкой 2 с отверстием 3. В корпусе 1 на концах S-образного канала выполнены входной фланец 4 и выходной фланец 5, предназначенные для крепления регулятора в магистральном газопроводе, а на концах 1-образного (цилиндрического) вертикального канала выполнены верхний и нижний фланцы, соответственно 6 и 7.
Перегородка 2 разделяет внутренние каналы корпуса 1 на две части, образуя соответственно входную полость 8 и выходную полость 9.
К верхнему фланцу 6 к нижней его поверхности крепится колонка 10, а к верхней поверхности - корпус 11 мембранной коробки 12. На корпусе 11 мембранной коробки 12 закреплена крышка 13 мембранной коробки 12, на которой закреплен стакан 14. В отверстии 15 стакана 14 установлен с возможностью вращения винт 16, который посредством резьбового соединения обеспечивает возможность перемещения регулировочной нажимной шайбы 17, и устанавливает тем самым степень сжатия пружины 18, которая нижней частью опирается на опорную шайбу 19. Мембранная коробка 12 содержит эластичную мембрану 21, из силиконовой резины «KSIL 40» «SILICONE INGENEERING» (Великобритания) и жесткий мембранный диск 20, при этом внешние сегменты эластичной мембраны 21 жестко закреплены между корпусом 11 и крышкой 13 мембранной коробки 12, образуя тем самым изолированные надмембранную полость 22 и подмембранную полость 23. В крышке 13 мембранной коробки 12 выполнены два отверстия, в одном из которых закреплен сапун 24, а в другом указатель 25 положения эластичной мембраны 21.
К нижнему фланцу 7 закреплена крышка 26, в которую впрессован изолирующий элемент - втулка 27. В отверстии 3 пластинчатой перегородки 2 установлено седло 28, на седле 28 выполнен наружный кольцеобразный выступ 29. В основе подвижной части регулятора лежит шток 30, который проходит из мембранной коробки 12 через колонку 10, седло 28 во втулку 27. На штоке 30 закреплены опорная шайба 19, эластичная мембрана 21 и жесткий мембранный диск 20, расположенные в мембранной коробке 12, плунжерный механизм 31, расположенный в колонке 10 с уплотнительными кольцами 32 в кольцевых канавках 33, выполненных на боковой цилиндрической поверхности плунжерного механизма 31 и рабочий клапан 34, расположенный во втулке 27, на рабочем клапане 34 на боковой цилиндрической поверхности выполнена кольцевая канавка 35, в которую установлено уплотнительное кольцо 36, а в верхней части рабочего клапана выполнена кольцевая, трапецевидная в сечении, канавка, в которую установлена прокладка уплотнительная 37 из силиконовой резины «KSIL 40» «SILICONE INGENEERING» (Великобритания), которой рабочий клапан 34, в процессе работы, герметизирует седло 28. Уплотнительная прокладка 37 крепится к клапану 34 с помощью шайбы 38 и гайки 39.
В корпус регулятора 1, втулке 27, крышке 26, корпусе 11 мембранной коробки 12 выполнено сквозное отверстие, в которое впрессована дренажная трубка 40, которая пневматически связывает подмембранную полость 23 и подклапанную область 41. Импульсная трубка 42 одним концом пневматически связана с подмембранной полостью 23, а другой конец предназначен для соединения с трубопроводом за регулятором (на чертеже не показан).
вх
вых
вых
Регулятор давления газа работает следующим образом. Пружина 18 регулятора, установленная в стакане 14, воздействует на жесткий мембранный диск 20, и создаёт силу, направленную на открытие рабочего клапана 34. При установившемся расходе в регулятор через входную полость 8 корпуса 1 поступает газ под давлением Р и, протекая через щель между седлом 28 и рабочим клапаном 34, поступает через выходную полость 9 корпуса 1 в трубопровод за регулятором под давлением Р. Через импульсную трубку 42 газ под давлением Р поступает в подмембранную полость 23, воздействуя на эластичную мембрану 21 и, через нее, на жесткий мембранный диск 20 и создает силу, направленную на закрытие рабочего клапана 34. Эти две силы уравновешивают друг друга и задают положение рабочего клапана 34 при данном расходе.
При изменении расхода давление за регулятором также стремится измениться, в результате чего равнодействующая этих сил оказывается направленной на открытие или закрытие рабочего клапана 34 в соответствии с изменением расхода, т.е. при увеличении расхода рабочий клапан 34 открывается, а при уменьшении - закрывается. Выходное давление остается неизменным в пределах допустимой точности регулирования.
вх
вх
вх
На рабочий клапан 34 воздействует Р , это воздействие направлено вниз, на его открытие, и скомпенсировано воздействием Р на плунжерный механизм 31, направленным вверх. При изменении Р выходное давление остается неизменным в пределах допустимой точности регулирования.
вых
вых
При увеличении расхода в выходной полости 9 корпуса регулятора 1 нарастает давление и воздействует на рабочий клапан 34, создавая силу раскомпенсации, направленную на закрытие клапана и уменьшение Рвых. Однако, поскольку рабочий клапан 34 установлен во втулке 27 на кольце резиновом уплотнительном 36, что обеспечивает подвижное герметичное соединение рабочего клапана 34 и втулки 27, рабочий клапан 34 изолирован от этого воздействия, поэтому сила раскомпенсации, направленная на закрытие рабочего клапана 34, не возникает ни при каких расходах. При перемещении рабочего клапана 34 объем подклапанной области 41 изменяется, но за счет того, что подклапанная область 41 связана пневматически с подмембранной полостью 23, давление в ней остается неизменным и равным Р. Таким образом, при любых расходах выходное давление Р остается неизменным в пределах допустимой точности регулирования.
3
3
вх
вых
вх
вых
Повышение максимального расхода газа, проходящего через регулятор давления газа, при сохранении точности регулирования ±5%, за счет изоляции нижней горизонтальной поверхности рабочего клапана от динамических потоков газа в выходной полости регулятора, было подтверждено испытаниями заявляемого регулятора давления и регулятора давления газа серии FGR. В ходе испытаний, проведенных на стенде расходном на сжатом воздухе, было установлено, что заявляемая модель регулятора давления газа прямого действия с изолированным клапаном развивает следующие характеристики: максимальный расход Q=2600 нм/час при точности регулирования ±3%, при Р=0,6 МПа, Р=0,03 МПа. Серийный регулятор FGR-50 имеет характеристики: максимальный расход Q=1200 нм/час при точности регулирования ±5%, при Р=0,6 МПа, Р=0,03 МПа.