МЕМБРАННЫЙ БЛОК РЕГУЛЯТОРА УПРАВЛЕНИЯ СО ВСТРОЕННЫМ ОГРАНИЧИТЕЛЕМ ДАВЛЕНИЯ
MEMBRANE CONTROL REGULATOR UNIT WITH BUILT-IN PRESSURE LIMITER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее раскрытие относится, в целом, к регуляторам управления для систем технологического процесса с текучей средой и, более конкретно, к регуляторам управления, содержащим мембранные блоки, имеющие встроенный механизм сброса давления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Технологические установки, такие как установки для нефтеперерабатывающего, химического или целлюлозно-бумажного производства, состоят из множества контуров управления технологическим процессом, соединенных вместе для получения различных продуктов. Каждый из таких контуров управления технологическим процессом предназначен для поддержания некоторых параметров технологического процесса, таких как давление, расход потока, уровень или температура, в пределах требуемого рабочего диапазона для обеспечения качества конечного продукта. Управляющие клапаны или регуляторы управления в системе управляют потоком текучей среды, такой как газ, пар, вода или химическое соединение, для уравновешивания нагрузок и поддержания регулируемых параметров технологического процесса на уровне, наиболее близком к требуемой контролируемой или заданной величине.
[0003] Для конкретных областей применения можно использовать различные конфигурации клапанов управления. Например, если применяется быстрооткрывающийся клапан с регулировкой в узком диапазоне, можно использовать поворотный регулирующий клапан, например, дроссельный клапан. В альтернативном варианте, если требуется точное управление в широком диапазоне регулирования, можно использовать регулирующий клапан с поступательным движением штока. В любой конфигурации такие регулирующие клапаны, как правило, соединены с управляющим устройством, например, исполнительным механизмом, который регулирует точную величину открытия регулирующего клапана в ответ на управляющий сигнал.
[0004] В некоторых системах, в частности, в системах с пневматическим управлением технологическим процессом, исполнительный механизм для любого заданного устройства управления технологическим процессом может содержать мембранный исполнительный механизм. Обычные мембранные исполнительные механизмы имеют корпус, содержащий подпружиненный мембранный блок. Мембранный блок функционально соединен при помощи штока или другого стержня исполнительного механизма с плунжером клапана или другим управляющим элементом для управления величиной открытия устройства управления технологическим процессом.
[0005] Некоторые блоки содержат мембрану и одну или более мембранных пластин. Мембрана содержит гибкий дискобразный элемент. Пластина или пластины расположены рядом с мембраной и выполнены с возможностью зацепления одной или несколькими пружинами, расположенными внутри корпуса. Кроме того, пластины обеспечивают жесткое механическое соединение со штоком. Пружины служат для смещения мембранного блока в заданное положение, так что исполнительный механизм может смещать устройство управления в открытую или закрытую конфигурацию. В некоторых устройствах мембранная пластина содержит тарельчатую часть, к которой мембрана герметично прижата стандартным червячным хомутом. В других устройствах мембрана не прикреплена к пластине. Однако, как уже упоминалось, одна или более мембранных платин жестко крепятся к штоку исполнительного механизма. Такое крепление обычно достигается при помощи резьбового соединения. Например, в одном варианте шток содержит резьбовую концевую часть, размещенную в одной или более пластинах через центральное отверстие. Затем на резьбовую концевую часть штока навинчивают гайку, чтобы прикрепить шток к пластине (пластинам).
[0006] Если исполнительный механизм подвергается воздействию повышенного давления текучей среды, например, если выходит из строя регулятор питания, компоненты исполнительного механизма подвергаются разрушению, приводящему к потере надлежащего управления технологическим процессом и/или к опасной ситуации, когда текучая среда под высоким давлением может распространиться в окружающую среду. Для предотвращения аварийных отказов некоторые системы высокого давления содержат внешний предохранительный клапан или разрывной диск для сброса давления, если давление превышает максимальное заданное значение. Однако эти внешние предохранительные клапаны и/или разрывные диски увеличивают стоимость системы и из-за увеличения стоимости часто не используются.
Краткое описание чертежей
[0007] Фиг. 1 - вид сбоку регулятора управления выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения;
[0008] Фиг. 2 - вид сбоку в поперечном сечении исполнительного механизма по фиг. 1 по линии II-II на фиг. 1;
[0009] Фиг. 3 - вид в перспективе с пространственным разделением частей мембранного блока по фиг. 2;
[0010] Фиг. 4 - вид в перспективе альтернативного варианта осуществления тканевого слоя мембранного блока по фиг. 3; и
[0011] Фиг. 5 - вид в перспективе альтернативного варианта осуществления мембранных пластин мембранного блока по фиг. 3.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Со ссылкой на фиг. 1 показан исполнительный механизм 10, выполненный в соответствии с принципами настоящего изобретения. Исполнительный механизм соединен с устройством управления технологическим процессом, например, регулятором 12 управления. Регулятор 12 управления может содержать корпус 13 клапана, образующий впускное отверстие 14 для текучей среды, выпускное отверстие 16 для текучей среды, горловину 18 и путь 20 прохождения потока текучей среды. Путь 20 прохождения потока текучей среды расположен между впускным отверстием 14 для текучей среды и выпускным отверстием 16 для текучей среды. Регулятор 12 управления может быть выполнен с возможностью размещения внутри системы управления технологическим процессом, содержащим, например, технологическую установку, такую как установка для нефтеперерабатывающего, химического или целлюлозно-бумажного производства. Регулятор 12 управления управляет потоком текучей среды через систему в соответствии с одним или более рабочими параметрами.
[0013] Исполнительный механизм 10 содержит шток 22 клапана, соединенный с плунжером 24 клапана, который скользит внутри горловины 18 регулятора 12 управления. Во время работы исполнительный механизм 12 перемещает шток 22 клапана и, соответственно, плунжер 24 клапана относительно седла 19 клапана, размещенного внутри горловины 18 регулятора 12 управления. Положение плунжера 24 клапана относительно седла 19 клапана управляет количеством текучей среды, проходящим через путь 20 прохождения потока текучей среды, что может потребоваться для любого конкретного случая применения в технологических процессах.
[0014] Теперь со ссылкой на фиг. 2 показан один вариант осуществления исполнительного механизма 10. Исполнительный механизм 10 содержит корпус 26, мембранный блок 28 и множество пружин 30. Корпус 26 образует внутреннюю полость 27. Мембранный блок 28 размещен внутри корпуса 26 и разделяет внутреннюю полость 27 на верхнюю полость 27a и нижнюю полость 27b. Мембранный блок 28 обеспечивает герметичное уплотнение между верхней и нижней полостями 27a, 27b. Пружины 30 смещают мембранный блок 28 по направлению к седлу 19 клапана, который находится снизу относительно ориентации исполнительного механизма 10, показанного на фиг. 2. Такое смещение в нижнем направлении заставляет плунжер 24 клапана (показанный на фиг. 1) двигаться по направлению к седлу 19 клапана для перекрытия потока текучей среды через путь 20 прохождения потока, тем самым образуя исполнительный механизм 10 с закрывающим смещением. В других регуляторах управления смещение пружины может быть изменено на противоположное, что в результате дает исполнительный механизм с открывающим смещением. Независимо от этого, давление текучей среды может передаваться в нижнюю полость 27b корпуса 26 для прижатия мембранного блока 28 в верхнем направлении против смещения пружин 30, тем самым поднимая плунжер 24 клапана от седла 19 клапана для открытия пути 20 прохождения потока регулятора 12 управления.
[0015] Корпус 26 исполнительного механизма 10 может содержать верхний компонент 32 корпуса и нижний компонент 34 корпуса. Каждый компонент 32, 34 корпуса может содержать плоский участок 32a, 34a, стенку 32b, 34b и фланец 32c, 34c. В одном варианте осуществления плоские участки 32a, 34a могут быть в целом круглыми. Вследствие этого, стенки 32b, 34b и фланцы 32c, 34c проходят по окружности вокруг плоских участков 32a, 34a. Радиальные фланцы 32c, 34c образуют множество отверстий 36 для приема крепежных элементов 38 для крепления верхнего компонента 32 корпуса к нижнему компоненту 34 корпуса, как показано на фиг. 2. В раскрытом варианте осуществления каждый крепежный элемент 38 содержит шестигранную гайку, находящуюся в резьбовом соединении с шестигранным болтом. В других вариантах осуществления можно использовать другие соединительные средства, такие как заклепки, сварные швы, адгезивы или любые другие подходящие средства крепления верхнего компонента 32 корпуса к нижнему компоненту корпуса.
[0016] Верхний компонент 32 корпуса может иметь отверстие 40 для текучей среды, а нижний компонент 34 корпуса может иметь отверстие 42 для текучей среды. Отверстия 40, 42 для текучей среды выполнены с возможностью соединения с соответствующими трубопроводами для подачи текучей среды, например, пневматическими подводящими трубопроводами, для изменения давления в верхней и нижней полостях 27а, 27b корпуса 26. Кроме того, нижний компонент 34 корпуса имеет отверстие 44 для размещения штока 22. В других вариантах осуществления одно или оба отверстия 40, 42 для текучей среды могут быть удалены, так что одна или обе из верхней полости 27a и нижней полости 28b могут быть закрыты или герметизированы.
[0017] Шток 22 клапана функционально соединяет мембранный блок 28 с плунжером 24 клапана. Шток 22 клапана обычно содержит удлиненный стержень, имеющий основную часть 22а, резьбовую концевую часть 22b и уступ 22с. Основная часть 22a имеет больший диаметр, чем диаметр резьбовой концевой части 22b. Уступ 22c расположен между основной частью 22a и резьбовой концевой частью 22b.
[0018] Резьбовая концевая часть 22b штока 22 клапана может соединяться с мембранным блоком 28 при помощи гайки 48. Гайку 48 можно крепить к штоку 22 клапана с помощью стопорной гайки 50. Стопорная гайка 50 может навинчиваться на резьбовую концевую часть 22b штока 22 клапана и входить в зацепление с гайкой 48, чтобы предотвратить ослабление гайки 48 и отвинчивание штока 22 клапана. Мембранный блок 28 может также прикладывать силу к гайке 48, тем самым предотвращая ослабление гайки 48 и отвинчивание штока 22.
[0019] В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, мембранный блок 28 может содержать пару мембранных пластин 52, 54 и мембрану 56. Мембрана 56 может быть выполнена из эластичного материала, который может содержать тканевый слой и два полимерных слоя, как дополнительно описано ниже. В других вариантах осуществления мембрана 56 может содержать композиционные материалы и/или любой другой подходящий материал, способный обеспечивать герметичное уплотнение. В данном варианте осуществления мембрана 56 содержит внешнюю радиальную часть 56a и внутреннюю радиальную часть 56b. Внешняя радиальная часть 56a образует множество отверстий 58 для приема крепежных элементов 38, которые крепят радиальные фланцевые части 32c, 34c верхнего и нижнего компонентов 32, 34 корпуса друг к другу. Таким образом, радиальные фланцевые части 32c, 34c сжимают внешнюю радиальную часть 56a мембраны 56. Центральные отверстия 71 мембранных пластин 52, 54 выполнены с возможностью приема штока 22 клапана для обеспечения соединения штока 22 клапана с мембранным блоком 28.
[0020] Хотя исполнительный механизм 10 был описан, как содержащий гайку 48, соединяющую шток 22 с мембранным блоком 28, в альтернативном варианте осуществления гайка может быть не нужна. Например, в одном альтернативном варианте осуществления центральное отверстие 71, образованное в верхней мембранной пластине 52, может иметь внутреннюю резьбу. Внутренние резьбы центрального отверстия 71 могут иметь размер, и быть сконфигурированы для резьбового соединения с резьбовой концевой частью 22b штока 22. Таким образом, резьбовая концевая часть 22b штока 22 клапана будет находиться в непосредственном резьбовом соединении с внутренними резьбами верхней мембранной пластины 52. При затягивании резьбовой концевой части 22b штока 22 клапана на верхней мембранной пластине 52 внутренние радиальные части 52b, 54b мембранных пластин будут стягиваться, как показано, например, на фиг. 2. Для такого варианта осуществления следует учитывать, что может быть использована стопорная гайка 50, чтобы оказывать содействие в удержании штока 22 клапана и верхней мембранной пластины 52 вместе, однако, сила, неизбежно создаваемая при деформации и сжатии мембранных пластин 52, 54, будет создавать между резьбовой концевой частью 22b штока 22 клапана и центральным отверстием 71 достаточное трение, предотвращающее отвинчивание штока 22 клапана от верхней мембранной пластины 52.
[0021] Обратимся теперь к фиг. 3, на которой показан один вариант осуществления мембранного блока 28. Мембранный блок 28 содержит мембрану 56 и мембранную пластину 54. Мембранный блок содержит механизм 80 сброса давления. Мембрана 56 состоит из трех слоев: верхнего слоя 56x, среднего слоя 56y и нижнего слоя 56z. Верхний и нижний слои 56x и 56z выполнены из эластомера, например, резины. Средний слой 56y выполнен из ткани. В других вариантах осуществления слои 56x, 56y, 56z могут быть выполнены из других материалов, известных для формирования мембран. Средний слой 56y содержит отверстие 82. Аналогично этому, мембранная пластина 54 содержит отверстие 84. Механизм 80 сброса давления содержит отверстие 82 в среднем слое 56y и отверстие 84 в мембранной пластине 54. В предпочтительном варианте осуществления слои 56x, 56y, 56z мембраны формируют путем формовки эластомерных слоев 56x и 56z вокруг тканевого слоя 56y для образования цельной мембраны 56.
[0022] Отверстия 82, 84 образуют локально ослабленную область на мембранном блоке 56. Если отверстия 82, 84 совмещены друг с другом, материал верхнего и нижнего слоев 56x, 56z не поддержан или не усилен материалом среднего слоя 56y. В результате, при возникновении ситуации с избыточным давлением данные области разрушатся первыми (и при заданном предельном давлении). В одном варианте осуществления локально ослабленная область будет разрушена при давлении выше нормального рабочего давления, но ниже давления, разрушающего основной компонент. Используя геометрию отверстий 82, 84 и величину отклонения ткани при избыточном давлении, система может быть выполнена с возможностью разрушения при требуемом давлении. Когда локально ослабленная область разрушается, исполнительный механизм снижает давление, позволяя штоку клапана вернуться в положение отказа (или отсутствия отказа), которое может быть как открытым, так и закрытым.
[0023] В варианте осуществления по фиг. 3, отверстия 82, 84 показаны в виде круглых отверстий. Однако, в других вариантах осуществления отверстия 82, 84 могут иметь практически любую форму, такую как, например, треугольную, квадратную, прямоугольную, клиновидную, арочную, многоугольную и т.д.. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления мембрана 56 может содержать своего рода совмещающий элемент 90, такой как визуальная линия или формованный элемент, такой как вырез или углубление, чтобы оказать содействие при совмещении отверстия 82 в среднем слое 56y с отверстием 84 в мембранной пластине 54. В альтернативном варианте для обеспечения правильного совмещения мембраны 56 можно использовать нерегулярное расположение болтов в корпусе.
[0024] В других вариантах осуществления, например, как показано на фиг. 4, множество отверстий 82 может быть распределено вокруг среднего слоя 56y, так что по меньшей мере одно отверстие 82 будет совмещено (по меньшей мере частично) с отверстием 84 в мембранной пластине.
[0025] В других вариантах осуществления, например, как показано на фиг. 5, мембранная пластина 54 может содержать прокалывающий элемент, например, заостренный выступ 92, который при достижении максимального давления прокалывает нижний слой 56z и верхний слой 56x и мембрана 56 проталкивается достаточно далеко в отверстие 84, чтобы войти в контакт с прокалывающим элементом.
[0026] Хотя в варианте осуществления по фиг. 3 показана одна мембранная пластина 54 расположенная рядом с нижним слоем 56z мембраны 56, другие варианты осуществления могут также содержать вторую мембранную пластину 54 с аналогичным механизмом ограничителя давления, например, отверстием, которое совмещено с отверстием 82 в среднем слое 56y. В таком варианте осуществления можно исключить один из эластомерных слоев, так что мембрана 56 будет содержать только один эластомерный слой 56x и один тканевый слой 56y.
[0027] Любой из вариантов осуществления мембранных блоков, описанных в данном документе, может быть использован, чтобы предпочтительно обеспечить встроенный механизм сброса давления для сброса давления текучей среды в ситуации избыточного давления, тем самым предотвращая повреждение внутренних компонентов.
[0028] Хотя в данном документе описаны некоторые мембранные блоки в соответствии с идеями настоящего раскрытия, объем притязаний данного патента не ограничен ими. Напротив, хотя изобретение показано и описано в связи с различными предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что дополнительно к упомянутому выше могут быть внесены некоторые изменения и модификации. Данный патент охватывает все варианты осуществления идей раскрытия, которые справедливо попадают в объем допустимых эквивалентов. Соответственно, есть намерение защитить все варианты и модификации, которые могут прийти в голову обычному специалисту в данной области техники.