ЗАТВОР ОБРАТНЫЙ ПОВОРОТНЫЙ
CHECK ROTARY VALVE

Изобретение относится к арматурным средствам безопасности энергетических установок, а именно к затворам обратным. Эти устройства устанавливаются в трубопроводных системах с целью предотвратить нештатные ситуации, связанные с аварийной сменой направления течения рабочей среды.
Затворы обратные поворотного типа имеют внутри корпуса поворотную тарель, которая перекрывает проходное сечение путем прижатия к седлу затвора, причем тарель размещается в положении на открытие затвора потоком рабочей среды при нормальной эксплуатации и на его закрытие обратным потоком рабочей среды при аварийной ситуации.
Устройства рассматриваемого типа применяются как в системах нормальной эксплуатации энергетических установок, так и в качестве элементов систем безопасности, например для защиты парогенераторов АЭС по второму контуру.
При использовании затворов обратных в системах нормальной эксплуатации поворотная тарель находится в обычно открытом состоянии для пропуска рабочей среды. В случае аварии тарель закрывает затвор, предотвращая обратное течение среды.
При использовании затворов обратных в качестве элементов систем безопасности они разделяют контуры с разными давлениями при нормальной работе установки и сообщают их при выравнивании или заданном изменении перепада давлений на затворе. То есть в этом случае тарель затвора находится в обычно закрытом положении.
Для известных в настоящее время конструкций затворов обратных предлагались многочисленные усовершенствования, однако некоторые технические проблемы, касающиеся их надежности, быстроты срабатывания, режимов и продолжительности эксплуатации, остались нерешенными.
Данное изобретение направлено на решение указанных проблем.
В качестве прототипа заявляемого изобретения предлагается затвор обратный поворотный ОАО ′′ЧЗЭМ′′, используемый в трубопроводных системах АЭС с реакторами ВВЭР [каталог ОАО ′′ЧЗЭМ′′, ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1997, стр.121-122]. Этот затвор имеет корпус с крышкой и поворотную тарель с седлом, установленные внутри корпуса, а также проходящий через крышку шток, шарнирно соединенный с тарелью.
Данное устройство имеет ряд недостатков, в частности, пассивная инициация срабатывания возможна у него лишь в одном единственном случае, когда меняется направление течения рабочей среды. Устройство не снабжено системой автономного срабатывания тарели по заданному значению давления среды в трубопроводной системе, что существенно сужает область применения устройства в аварийных ситуациях и требует установки дополнительного оборудования. Другой его недостаток связан с тем, что шток тарели не имеет принудительного привода, из-за чего снижается скорость и надежность срабатывания затвора. Отсутствие активной фиксации тарели в крайних положениях открытия и закрытия повышает вероятность неполного перекрытия проходного сечения, а также вибрационного дребезжания элементов конструкции и их преждевременного износа.
Одним из способов повышения надежности работы затворов обратных в системах безопасности могло бы стать их резервное дублирование, то есть установка в трубопроводах блоков из двух расположенных рядом одинаковых затворов. Однако применительно к рассматриваемому известному устройству такое решение представляется неэффективным, поскольку возникает проблема зависимости работы затворов друг от друга, в частности, неопределенного алгоритма их совместного срабатывания при аварийных параметрах рабочей среды.
Задачей настоящего изобретения является расширение области возможного применения затвора обратного, а также улучшение технико-экономических характеристик за счет повышенного уровня безопасности, надежности и продолжительности эксплуатации.
Достигаемый в изобретении технический результат состоит в том, что в предложенном устройстве появляется возможность предварительно настраивать алгоритм срабатывания поворотной тарели по двум реперным значениям давления рабочей среды, а при его работе обеспечивается пассивное перемещение тарели в крайние положения открытия и закрытия и ее фиксация в этих положениях. То есть, в сравнении с прототипом, затвор обратный приобретает дополнительные эксплуатационные качества, поскольку становится возможным регулировать его реакцию на изменение характеристик рабочей среды, включая автономный пассивный ответ на аварийную ситуацию, и, одновременно с этим, повышается скорость его срабатывания, плотность контакта поворотной тарели с седлом в положении закрытия, исключается заклинивание и вибрационный износ конструктивных элементов. Кроме того, при дублировании, то есть при установке в трубопроводную систему блока из двух затворов обратных, можно контролировать алгоритм их совместного срабатывания, что не было доступно в известном устройстве.
Технический результат в заявляемом изобретении достигается за счет того, что в затворе обратном поворотном, содержащем корпус с крышкой и поворотную тарель с седлом, установленные внутри корпуса, а также проходящий через крышку шток, шарнирно соединенный с тарелью, имеется два привода штока. Активация первого из них - пневматического - вызывает закрытие тарели. Второй привод - пружинный - установлен для пассивного открывания тарели при неактивном пневматическом приводе. Кроме того, к пневматическому приводу подключена управляющая система, которая его активирует путем подачи в него газа, когда давление среды внутри затвора достигает заданного значения закрытия, и его деактивирует путем выпуска из него газа, когда давление среды внутри затвора достигает заданного давления открытия.
В соответствии с изобретением для активации пневматического привода можно использовать управляющую систему, содержащую модуль подачи газа в пневматический привод и модуль выпуска газа из привода. Модуль подачи газа состоит из инициатора закрытия и переключаемого им двухпозиционного клапана, соединенного с автономным источником газа высокого давления с одной стороны и с пневматическим приводом затвора с другой стороны. При этом инициатор закрытия отрегулирован на срабатывание при достижении давлением среды в затворе значения, равного давлению закрытия.
Модуль выпуска газа также содержит два элемента - инициатор открытия и переключаемый им двухпозиционный клапан, который соединен с пневматическим приводом с одной стороны и с дренажом (сбросом управляющего газа высокого давления) с другой стороны. При этом срабатывание инициатора открытия отрегулировано на значение давление открытия.
Инициаторы открытия и закрытия могут быть выполнены пневматическими и иметь сообщение с внутренней полостью затвора через каналы в его крышке.
В соответствии с изобретением инициаторы могут быть отрегулированы различным образом. В варианте, когда давление открытия задано меньшим, чем давление закрытия, при повышении давления среды внутри затвора срабатывание инициатора открытия закрывает выпуск газа, а срабатывание инициатора закрытия открывает подачу газа. В варианте, когда давление открытия задано большим, чем давление закрытия, при повышении давления среды внутри затвора срабатывание инициатора открытия открывает выпуск газа, а срабатывание инициатора закрытия закрывает подачу газа.
В случае, когда используется блок из двух затворов обратных, у затвора, расположенного ближе к защищаемому объекту, реперные значения давления открытия устанавливаются выше, а давления закрытия - ниже, чем у второго затвора этой пары.
Кроме того, затвор может снабжаться дополнительным ручным приводом штока.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено два варианта его использования - в составе системы безопасности энергетической установки (А) и в качестве элемента системы ее нормальной эксплуатации (Б). На фиг. 2 и фиг. 3 затвор обратный поворотный показан в открытом и закрытом положениях, когда он используется в составе системы безопасности. На фиг. 4 и фиг. 5 затвор обратный поворотный показан в открытом и закрытом положениях, когда он используется в составе системы нормальной эксплуатации.
Затвор содержит корпус 1 с крышкой 2, поворотную тарель 3 и седло 4, установленные внутри корпуса 1 (фиг. 2).
При закрытом затворе тарель 3 полностью перекрывает проходное сечение путем герметичного прижатия к седлу 4, а при открытом затворе занимает крайнее верхнее положение, как показано на фиг. 2, для минимизации гидравлических потерь. Сам затвор устанавливается таким образом, чтобы тарель открывалась под действием потока рабочей среды при нормальной эксплуатации установки и закрывалась при реверсе потока.
В затворе также имеется шток 5, проходящий через крышку 2 и шарнирно соединенный с тарелью 3. Шарнирное соединение может быть выполнено из вращающегося вала 6, рычага 7 и соединительного звена 8.
Затвор снабжен пружинным приводом штока 9 и пневматическим приводом 10. При активированном пневматическом приводе его пневмоцилиндр заполнен газом высокого давления и шток 5 под действием поршня 11 принудительно фиксирует тарель 3 в положении закрытия (фиг. 3). При неактивном пневматическом приводе тарель пассивно переводится в положение открытия и принудительно фиксируется в этом положении под воздействием пружинного привода 9 (фиг. 2).
Использование приводов именно пружинного и пневматического типа продиктовано соображениями безопасной и надежной эксплуатации затвора в тяжелых условиях функционирования энергетических установок, в частности установок АЭС, и необходимости автономного пассивного срабатывания затвора в аварийной ситуации. Этими же соображениями обусловлен выбор пружинного типа привода конкретно для пассивного инициирования открытия затвора.
В заявляемом изобретении активация и деактивация пневматического привода осуществляется с помощью управляющей системы, настроенной на два реперных значения давления рабочей среды внутри затвора. Когда давление среды достигает предварительно заданного значения закрытия, управляющая система подает газ в пневматический привод, вызывая его активацию. Когда давление среды достигает предварительно заданного значения открытия, управляющая система выпускает газ из пневматического привода, вызывая его деактивацию. При этом давление закрытия может выбираться как большим, так и меньшим, чем давление открытия, обеспечивая тем самым необходимый алгоритм работы при различных вариантах использования затвора.
Для достижения большей автономности и надежности функционирования затвора предпочтительно использовать управляющую систему пневматического типа. Она имеет автономный источник газа высокого давления 12, модуль подачи газа в пневматический привод 13, модуль выпуска газа из привода 14 в дренаж 15 (фиг. 2). Каждый модуль состоит из двух элементов -двухпозиционного клапана и инициатора срабатывания, отрегулированного на переключение соответствующего клапана при заданной величине давления среды в затворе.
Перечисленные узлы сообщаются между собой трубопроводами или каналами, один из которых соединяет источник газа 12 с клапаном модуля подачи 13, другой трубопровод соединяет клапан модуля подачи 13 с пневматическим приводом 10, третий трубопровод соединяет пневматический привод 10 с клапаном модуля выпуска газа 14, а четвертый соединяет клапан модуля выпуска газа 14 с дренажом 15. При этом двухпозиционный клапан модуля подачи 13 переключается инициатором закрытия 16, отрегулированным на давление закрытия, а двухпозиционный клапан модуля выпуска газа 14 переключается инициатором открытия 17, отрегулированным на давление открытия.
В представленном на фиг. 2 варианте изобретения инициаторы закрытия 16 и открытия 17 выполнены пневматическими и крышка 2 затвора имеет каналы 18, сообщающие внутреннюю полость затвора с инициаторами. Такое решение отличается автономностью и надежностью работы затвора и простотой его сборки.
Пневматические инициаторы и двухпозиционные клапаны, используемые в заявляемом затворе, являются известными устройствами, серийно выпускаемыми промышленностью. Возможность переключать подводку клапанов, то есть менять местами подключаемые к ним трубопроводы, и предварительно настраивать инициаторы на разные значения давления значительно расширяет область применения затвора. На фиг. 1 представлено два возможных варианта его использования.
При защите объекта 20 в составе системы нормальной эксплуатации энергетической установки (Б) затвор находится в обычно открытом положении и пассивно закрывается при аварийной ситуации, когда давление среды в контуре падает до заданного реперного значения закрытия.
Если затвор используется в качестве элемента системы безопасности, то в ждущем режиме работы на мощности его проходное сечение перекрыто, то есть затвор находится в обычно закрытом положении. В случае аварийной ситуации затвор пассивно открывается, когда давление среды в контуре понизится до заданного значения открытия, подключая гидроемкость 21 к объекту 20 (А).
В качестве элемента системы безопасности энергетической установки затвор обратный работает следующим образом.
Перед началом эксплуатации управляющую систему пневматического привода настраивают на заданные реперные значения давления открытия и закрытия. В данном случае величина давления открытия, на которую регулируют срабатывание инициатора открытия, должна быть меньше, чем величина давления закрытия, на которую настраивают срабатывание инициатора закрытия.
Перед выходом установки на мощность клапан модуля подачи газа 13 перекрывает питание пневматического привода 10 и поворотная тарель 3 под действием пружинного привода 9 находится в положении открытия затвора (фиг. 2).
В процессе выхода энергетической установки на мощность давление среды внутри затвора постепенно растет и достигает заданной величины открытия. При этом срабатывает инициатор открытия 17 и клапан модуля выпуска газа 14 перекрывает дренаж 15. Однако пневматический привод остается неактивным из-за перекрытой подачи газа. Таким образом, поворотная тарель продолжает находиться в положении открытия.
При дальнейшем повышении давления в контуре, когда достигается реперное значение давления закрытия, срабатывает инициатор закрытия 16. Клапан модуля подачи 13 переводится в положение нагнетания газа в пневматический привод. Привод активируется и закрывает затвор. При этом обеспечивается принудительное прижатие тарели к седлу, исключающее протечки.
При последующей штатной работе установки на мощности затвор обратный будет оставаться в ждущем режиме с закрытой тарелью (фиг. 3).
При возникновении аварийной ситуации падение давления в контуре установки вызывает обратное срабатывание инициатора закрытия, которое перекрывает подачу газа в пневматический привод. При этом привод остается активированным из-за перекрытого дренажа 15.
Однако дальнейшее аварийное понижение давления до заданного значения открытия приведет к срабатыванию инициатора открытия, перемещению клапана модуля выпуска газа и открытию дренажа. Произойдет стравливание газа из пневматического привода и открытие затвора обратного благодаря пассивному действию пружинного привода 9.
Функционирование затвора обратного в качестве элемента системы нормальной эксплуатации энергетической установки происходит по другому алгоритму, поскольку при работе на мощности в обычном режиме он должен оставаться в открытом положении.
Перед началом эксплуатации управляющую систему пневматического привода настраивают на заданные реперные значения давления открытия и закрытия. В данном случае величина давления открытия, на которую регулируют срабатывание инициатора открытия, должна превышать величину давления закрытия, на которую выставляют срабатывание инициатора закрытия.
Перед выходом энергетической установки на мощность пневматический привод штока тарели находится в активированном состоянии, и тарель перекрывает проходное сечение затвора. Это достигается за счет того, что двухпозиционный клапан модуля подачи управляющей системы находится в положении нагнетания газа в пневмоцилиндр привода, а клапан модуля выпуска газа перекрывает трубопровод дренажа (фиг. 4).
В процессе выхода энергетической установки на мощность давление среды внутри затвора постепенно растет и достигает заданной величины закрытия. При этом срабатывает инициатор закрытия и клапан модуля подачи газа перекрывает подачу газа в пневматический привод. Однако привод остается в активированном состоянии из-за перекрытого дренажа в модуле выпуска газа. Таким образом, поворотная тарель продолжает закрывать затвор.
При дальнейшем повышении давления в контуре достигается заданное значение давления открытия и срабатывает инициатор открытия, вызывая открытие дренажа в модуле выпуска газа. Газ стравливается, и пневматический привод деактивируется, а пружинный привод открывает затвор и принудительно фиксирует поворотную тарель в крайнем верхнем положении.
При дальнейшей штатной работе установки на мощности затвор обратный находится в ждущем режиме с открытой тарелью и неактивном пневматическом приводе.
При возникновении аварийной ситуации падение давления в контуре установки вызовет обратное срабатывание инициатора открытия, который переведет клапан модуля выпуска газа в положение перекрытия дренажа. Дальнейшее аварийное снижение давления приведет к срабатыванию инициатора закрытия и перемещению клапана модуля подачи газа. Пневматический привод активируется, и произойдет закрытие затвора с принудительным прижатием тарели к седлу.
Как указывалось выше, надежность работы затворов обратных в системах безопасности может быть повышена путем их дублирования, то есть установкой блоков из двух расположенных рядом одинаковых затворов. В некоторых случаях такое резервное дублирование является обязательным нормативным требованием, например, в атомной энергетике. Преимуществом заявляемого устройства является то, что оно удовлетворяет данному требованию. Соответствующие инициаторы открытия и закрытия затворов в блоке могут быть отрегулированы на близкие, но не одинаковые значения давления среды, в результате чего возникает возможность заранее установить очередность срабатывания затворов в аварийной ситуации. Для предлагаемых затворов их совместная работа в блоке является детерминированным и контролируемым процессом, что не достигается в известных решениях.
Применительно к двум вариантам систем, приведенным на фиг. 1, наибольший положительный эффект от использования блоков затворов достигается, если при закрытии сначала закрывается дальний по ходу движения рабочей среды затвор блока, а после него срабатывает ближний затвор. А при открытии, наоборот, сначала должен открываться ближний по ходу движения рабочей среды затвор блока. Для этого у затвора, расположенного ближе к защищаемому объекту, давление открытия должно задаваться выше, а давление закрытия ниже, чем у второго затвора этой пары.
Предложенный затвор обратный поворотный может быть также оснащен дополнительным ручным приводом штока тарели в качестве резервного средства управления.