ТЕРМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ
TEMPERATURE-STABILIZING PRESSURE REGULATOR

Изобретение относится к газовой промышленности и может использоваться в системах транспортировки природного газа для редуцирования давления газа на газораспределительных станциях (ГРС), в газораспределительных пунктах (ГРП), в системах подготовки топливного и пускового газа компрессорных газоперекачивающих станций, в качестве устьевого оборудования нефтяных и газовых скважин.
Известен вихревой регулятор давления газа с положительной обратной связью, содержащий подводящий трубопровод, соединенный с регулируемым тангенциальным соплом, соединенным с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, соединенным с пилотным устройством. Между подводящим трубопроводом и цилиндром температурного разделения регулятор содержит винтовой канал, обеспечивающий положительную обратную связь по «горячему» контуру. Винтовой канал соединен с регулируемым по высоте тангенциальным соплом, обеспечивающим критическую скорость газа на срезе сопла. Цилиндр температурного разделения закрыт камерой торможения и содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска «горячего» газа после крестовины в центр «холодного» вихря на оси цилиндра температурного разделения. Для более интенсивного перемешивания «горячего» и «холодного» потоков на оси цилиндра температурного разделения внутренняя поверхность устройства перепуска может быть выполнена в виде винтового канала. Положительная обратная связь по «горячему» контуру обеспечивается винтовым каналом между подводящим трубопроводом и цилиндром температурного разделения и позволяет нагревать входной газ от «горячей» стенки последнего, тем самым повышая температуру газа на выходе из регулятора [патент РФ №2237918, МПК G05D 16/00, опубл. 10.10.2004].
Недостатком известного регулятора является невозможность поддержания минимальной разницы температур на входе и выходе регулятора, необходимой для предотвращения образования кристаллогидратов.
Известен также вихревой регулятор давления газа с положительной обратной связью [патент РФ №2431883, МПК G05D 16/00, опубл. 20.10.2011], содержащий подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, соединенным с пилотным устройством, причем положительная обратная связь обеспечивается по «горячему» контуру каналом между трубопроводом и цилиндром температурного разделения, который содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска «горячего» газа после крестовины в центр «холодного» вихря на оси цилиндра, узел регулирования входного потока содержит как минимум два сопла, равномерно расположенных по окружности, и соответствующие им профилированные сопловые заслонки, установленные с возможностью поворота вокруг осей крепления для регулирования проходного сечения каждого сопла, а на «горячем» конце цилиндра температурного разделения установлена оребренная головка, содержащая в стенках каналы перепуска «горячего» газа, соединенные с трубками, расположенными в канале вокруг цилиндра температурного разделения для обеспечения выхода перепускаемой части «горячего» газа из цилиндра в газовый эжектор, выходом соединенный с отводящим трубопроводом, отличающийся тем, что введен узел регулирования выходного потока, который содержит как минимум две «шторки», равномерно расположенных по окружности, установленных с возможностью поворота вокруг осей крепления для регулирования проходного сечения диафрагмы, при этом ребра на головке выполнены винтовыми, а трубки, соединенные с каналами перепуска «горячего» газа, выполнены в виде спиральных оребренных трубок.
Недостатком известного регулятора являются невозможность обеспечения герметизации запорного элемента, а также сложность обеспечения работоспособности узла регулирования выходного потока.
Известен также вихревой регулятором давления газа с положительной обратной связью [патент РФ №2486573, МПК G05D 16/00, опубл. 27.07.2013], содержащий подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с устройством температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, соединенным с пилотным устройством, причем положительная обратная связь обеспечена по «горячему» контуру каналом между трубопроводом и устройством температурного разделения, который содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска «горячего» газа после крестовины в центр устройства температурного разделения в направлении отводящего трубопровода, узел регулирования потока содержит как минимум два сопла, равномерно расположенных по окружности, а на конце устройства температурного разделения установлена головка, содержащая в стенках каналы перепуска «горячего» газа, соединенные с оребренными трубками, расположенными в канале, образованном между подводящим трубопроводом и устройством температурного разделения для обеспечения выхода перепускаемой части «горячего» газа из устройства температурного разделения в газовый эжектор, выходом соединенный с отводящим трубопроводом, сопла выполнены круглыми, с установленными в них кольцами изменяемого проходного сечения, выполненными из эластичного материала переменной жесткости, при этом поперечное сечение кольца представляет собой эллипс, а устройство температурного разделения выполнено в виде гофрированной трубы изменяемой длины, имеющей вид усеченного конуса, гофры которой изготовлены по винтовой линии, головка жестко закреплена со штоком с возможностью перемещения вдоль оси устройства температурного разделения, изменяя тем самым длину устройства температурного разделения, при этом ребра головки выполнены винтовыми, а трубки, соединенные с каналами перепуска «горячего» газа, выполнены в виде спиральных оребренных трубок. Кроме того, введен узел регулирования выходного потока, который представляет собой трубку, выполненную из эластичного материала, изменяемого проходного сечения, установленную по тракту отводящего трубопровода.
Недостатком известного регулятора являются относительная сложность регулирования проходного сечения сопел, невозможность регулировать перепуск «горячего» газа, необходимый для создания условий изотермического дросселирования, а также относительная сложность установки пилотного устройства, регулирующего длину устройства температурного разделения.
Известен также вихревой регулятор давления с положительной обратной связью [патент РФ №153284, МПК G05D 16/00, опубл. 10.07.2015], содержащий подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с устройством температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, соединенным с пилотным устройством, причем положительная обратная связь обеспечена по «горячему» контуру каналом между трубопроводом и устройством температурного разделения, который содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками и устройство перепуска «горячего» газа после крестовины в центр устройства температурного разделения в направлении отводящего трубопровода, узел регулирования потока газа, содержащий сопло, головку, установленную на конце устройства температурного разделения, содержащую в стенках каналы перепуска «горячего» газа, соединенные с трубками, расположенными в канале, образованном между подводящим трубопроводом и устройством температурного разделения, при этом жестко закрепленную со штоком с возможностью перемещения вдоль оси устройства температурного разделения, ребра которой выполнены винтовыми, устройство температурного разделения, выполненное в виде гофрированной трубы изменяемой длины, имеющей вид усеченного конуса, гофры которой изготовлены по винтовой линии, трубки, соединенные с каналами перепуска «горячего» газа, выполненные в виде спиральных трубок, газовый эжектор, выходом соединенный с отводящим трубопроводом, узел регулирования выходного потока, который представляет собой трубку, выполненную из эластичного материала, установленную по тракту отводящего трубопровода, отличающийся тем, что подводящий трубопровод выполнен с тангенциальным подводом газа, имеет как минимум одно сопло прямоугольного сечения с возможностью изменения площади этого сечения за счет поворота вокруг собственной оси лопатки узла регулирования потока газа.
Недостатком известного регулятора являются сложность конструкции и ее недолговечность, связанная с применением эластичных материалов.
Наиболее близким по технической сущности и достижимому результату к заявляемому является вихревой регулятор давления газа с положительной обратной связью [патент РФ №2282885, МПК G05D 16/00, опубл. 27.08.2006], содержащий подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, соединенным с пилотным устройством, причем положительная обратная связь обеспечивается по «горячему» контуру каналом между трубопроводом и цилиндром температурного разделения, который содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными пластинами (профилированными лопатками) и центральным каналом возврата «горячего» газа (устройство перепуска «горячего» газа) после крестовины в центр «холодного» вихря на оси цилиндра, узел регулирования потока газа содержит как минимум два сопла, равномерно расположенных по окружности, и соответствующие им профилированные сопловые заслонки, установленные с возможностью поворота вокруг осей крепления для регулирования проходного сечения каждого сопла, а на «горячем» конце цилиндра температурного разделения установлено устройство закрутки и поворота газа (оребренная головка), содержащее в стенках каналы поворота «горячего» газа (каналы перепуска «горячего» газа), соединенные с трубками, расположенными в канале вокруг цилиндра температурного разделения для обеспечения выхода перепускаемой части «горячего» газа из цилиндра в газовый эжектор, выходом соединенный с отводящим трубопроводом.
Недостатком известного регулятора является невозможность поддержания необходимой температуры на выходе из регулятора, необходимой для предотвращения образования кристаллогидратов и создания условий изотермического дросселирования.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик регулятора, таких как подогрев газа на выходе, а также обеспечение герметизации регулятора в режиме полного закрытия сопла.
Техническим результатом являются расширение диапазона реализации процесса изотермического дросселирования в термостабилизирующем регуляторе давления, а также обеспечение режима нулевого расхода газа.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается регулятором давления газа с положительной обратной связью, содержащим подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с цилиндром температурного разделения и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, причем положительная обратная связь обеспечивается по «горячему» контуру каналом между трубопроводом и цилиндром температурного разделения, который содержит крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными пластинами и центральным каналом возврата «горячего» газа после крестовины в центр цилиндра температурного разделения, узел регулирования потока газа, который содержит как минимум одно сопло, устройство закрутки и поворота газа на «горячем» конце цилиндра температурного разделения, содержащее в стенках каналы поворота «горячего» газа, соединенные с трубками, расположенными в канале вокруг цилиндра температурного разделения для обеспечения выхода перепускаемой части «горячего» газа из цилиндра температурного разделения в отводящий трубопровод. Согласно изобретению каждый канал поворота «горячего» газа содержит терморегулятор с возможностью поддержания заданной температуры на выходе из регулятора давления за счет изменения площади проходного сечения каналов поворота «горячего» газа в зависимости от величины температуры газа в устройстве закрутки и поворота газа.
Кроме того, согласно изобретению регулятор давления газа с положительной обратной связью может содержать устройство регулирования проходного сечения сопла, расположенное в проточной части на выходе из регулятора давления газа и соединенное с узлом регулирования потока газа.
Кроме того, согласно изобретению регулятор давления газа с положительной обратной связью может содержать завихритель, внутренняя поверхность которого имеет профиль спирали Архимеда.
Кроме того, согласно изобретению в завихрителе может быть расположено сопло.
Кроме того, согласно изобретению сопло может быть выполнено в виде сопла Лаваля.
Кроме того, согласно изобретению проходное сечение сопла может иметь прямоугольную форму.
Установка в каналы поворота «горячего» газа терморегуляторов позволяет обеспечить регулирование количества перепускаемого газа, необходимого для реализации процесса изотермического дросселирования. Расположение устройства регулирования проходного сечения сопла в проточной части позволяет использовать габариты регулятора давления без ухудшения эксплуатационных характеристик. Установка завихрителя с внутренней поверхностью, имеющей профиль спирали Архимеда, позволяет интенсифицировать процессы температурного разделения в регуляторе и тем самым повысить температуру газа на выходе из регулятора. Выполнение сопла в завихрителе позволяет обеспечить режим нулевого расхода газа через регулятор давления. Выполнение сопла в виде сопла Лаваля позволяет интенсифицировать процессы температурного разделения. Выполнение сопла с прямоугольной формой проходного сечения позволяет упростить конструкцию регулятора давления без ухудшения эксплуатационных характеристик.
Таким образом удается поддерживать необходимую разницу температур газа на входе и выходе регулятора, предотвращая образование кристаллогидратов, а также обеспечивать режим нулевого расхода газа, тем самым улучшая его эксплуатационные характеристики.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема термостабилизирующего регулятора давления газа. На фиг. 2 изображен разрез регулятора в области сопла, на фиг. 3 - разрез регулятора в области устройства закрутки и поворота газа.
Термостабилизирующий регулятор давления газа (фиг. 1) содержит подводящий трубопровод 1, реализующий предварительную закрутку потока газа за счет обтекания устройства закрутки и поворота газа 2, соединенный каналом 3 через узел регулирования потока газа 4 с цилиндром температурного разделения 5, устройством регулирования проходного сечения сопла 6 и отводящим трубопроводом 7.
Положительная обратная связь реализуется по «горячему» контуру, который представляет каналы, образованные каналами поворота «горячего» газа 8 (фиг. 3), трубками 9, узлом регулирования потока газа 4, соединяющие отводящий трубопровод 7 с находящимся на конце цилиндра температурного разделения 5 устройством закрутки и поворота газа 2, которое содержит крестовину 10, состоящую из профилированных пластин 11, плавно выпрямляющих поток газа, и центрального канала возврата «горячего» газа 12 в центр цилиндра температурного разделения 5 в направлении отводящего трубопровода 7.
Узел регулирования потока газа 4 содержит завихритель 13 (фиг. 2), внутренняя поверхность которого имеет профиль спирали Архимеда, с расположенным в нем как минимум одним соплом 14 (фиг. 2), выполненным в виде сопла Лаваля и имеющем проходное сечение прямоугольной формы. Проходное сечение сопла изменяется под действием устройства регулирования проходного сечения сопла 6 за счет перемещения в осевом направлении ограничителя 15, жестко связанного с диафрагмой 16, определяющего проходное сечение сопла. При использовании нескольких сопел они располагаются равномерно по окружности.
В случае полного прилегания ограничителя 15 к завихрителю 13 (фиг. 2) реализуется полное закрытие сопла 14 (фиг. 2), режим нулевого расхода газа.
Устройство закрутки и поворота газа 2 (оребренная головка) выполнено с двумя и более спиральными ребрами и содержит в ребрах каналы поворота «горячего» газа 8 (фиг. 3), содержащие терморегуляторы 17 (фиг. 3), поддерживающие заданную температуру на выходе из регулятора за счет изменения площади проходного сечения каналов поворота «горячего» газа в зависимости от величины температуры газа в устройстве закрутки и поворота газа 2.
Каналы поворота «горячего» газа 8 (фиг. 3) соединены с трубками 9, количество которых совпадает с количеством ребер устройства закрутки и поворота газа 2, расположенными в канале 3, образованном между подводящим трубопроводом 1 и цилиндром температурного разделения 5 для обеспечения выхода перепускаемой части «горячего» газа из трубок 9 через отверстия в узле регулирования потока газа 4 в отводящий трубопровод 7.
Термостабилизирующий регулятор давления работает следующим образом. Из подводящего трубопровода 1 газ поступает в канал 3, где по мере движения к узлу регулирования потока газа 4 нагревается от устройства закрутки и поворота газа 2, наружной стенки цилиндра температурного разделения 5 и трубок 9. Далее газ через сопло 14 (фиг. 2), расположенное в завихрителе 13 (фиг. 2), разгоняется до скорости, равной или превышающей скорость звука, плавно закручивается и поступает в цилиндр температурного разделения 5, где происходит его разделение на «горячий», движущийся по периферии цилиндра температурного разделения 5 к крестовине 10 поток и «холодный» поток, движущийся вдоль оси цилиндра температурного разделения 5 от крестовины 10 к диафрагме 16. Наличие в узле регулирования потока газа 4 сопла 14 (фиг. 2), имеющего вид сопла Лаваля, расположенного в завихрителе 13 (фиг. 2), внутренняя поверхность которого имеет профиль спирали Архимеда, обеспечивает интенсивный разгон, равномерную закрутку и тангенциальный ввод потока газа в цилиндр температурного разделения 5, тем самым увеличивает эффект температурного разделения в нем. «Горячий» поток газа, пройдя крестовину 10, плавно выпрямляется на профилированных пластинах 11 и разделяется на два потока. Первый поток через центральный канал возврата «горячего» газа 12 направляется в центр цилиндра температурного разделения 5 в направлении отводящего трубопровода 7, смешивается с «холодным» потоком, тем самым повышая его температуру. Второй «горячий» поток газа поступает в каналы поворота «горячего» газа 8 (фиг. 3), проходит по трубкам 9, при этом передавая часть тепла входному газу, и далее направляется в отводящий трубопровод 7, смешиваясь с потоком газа, истекающего из диафрагмы 16 и повышая температуру газа на выходе из регулятора.
Наличие в каналах поворота «горячего» газа 8 (фиг. 3) терморегуляторов 17 (фиг. 3) обеспечивает регулирование площади проходного сечения каналов поворота «горячего» газа 8 (фиг. 3) и, как следствие, расходов первого и второго «горячего» потоков газа и количества тепла, переданного входному газу, в зависимости от величины температуры газа в устройстве закрутки и поворота газа 2.
Таким образом обеспечивается необходимая температура газа на выходе регулятора.
Устройство регулирования проходного сечения сопла 6 управляет величиной площади проходного сечения сопла 14 (фиг. 2) за счет перемещения в осевом направлении ограничителя 15 и, как следствие, расходом газа через регулятор.
Перемещение ограничителя 15 до упора в завихритель 13 (фиг. 2) позволяет реализовать полное закрытие сопла 14 (фиг. 2).
Таким образом обеспечивается режим нулевого расхода газа.
Итак, заявленное изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики регулятора, такие как подогрев газа на выходе, а также обеспечить герметизацию регулятора в режиме полного закрытия сопла.