Регулятор давления газа
GAS PRESSURE CONTROLLER

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневмоавтоматике, и может быть использовано для снижения и регулирования давления газа, поступающего потребителю из магистрали высокого давления, например для регулирования давления природного газа на выходе из газораспределительных станций.
Известны регуляторы давления непрямого действия, в которых в качестве исполнительного устройства применяется запорный клапан, управляемый резиновой мембраной (Газовое оборудование, приборы и арматура - М.: Недра, 1985, стр. 68). Достоинством таких устройств является то, что исполнительный механизм можно разгрузить от воздействия потока и исключить непосредственный контакт рабочей среды с резиновой мембраной. Однако в процессе эксплуатации вследствие механических и термических воздействий резиновая мембрана утрачивает свои прочностные и динамические характеристики, что уменьшает чувствительность исполнительного элемента, надежность и долговечность работы устройства.
Известен регулятор давления (а.с. СССР №1171761, МКИ G05D 16/10, опубл. 07.08.1985 г., бюл. №29), содержащий корпус с входной и выходной полостями, между которыми установлен регулирующий орган, связанный с чувствительным элементом, снабженным механизмом управления и подпружиненным штоком, связанным с уравнительным поршнем, установленным в расточке корпуса и образующим с ней полость, соединенную с гидравлическим демпфирующим устройством через элемент разгрузки регулирующего органа по входному давлению. Регулятор дополнительно снабжен кольцевым поршнем, установленным в расточке корпуса коаксиально с уравнительным поршнем.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является регулятор давления газа (патент РФ №2361261, МПК G05D 16/10, опубл. 10.07.2009, бюл. №19), содержащий каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа. Канал входа сообщен с каналом выхода посредством поршневого клапана, взаимодействующего с седлом, расположенным в канале входа. Полость управляющего давления сообщена с системой командного давления газа посредством системы демпфирования, которая включает разделительную емкость с газовой и гидравлической полостями и жиклер, при этом газовая полость сообщена с системой командного давления газа, а гидравлическая через жиклер - с полостью управляющего давления. В разделительной емкости газовая и гидравлическая полости разделены посредством сильфона, или мембранной коробки, или вялой мембраны. Устройство обладает недостаточной точностью поддержания выходного давления при малых расходах газа и малым ресурсом вследствие износа клапана и уплотнения седла. Кроме того, при быстрой смене режимных параметров, при внезапном запуске, резком повышении давления, резком изменении расхода газа при малых расходах в регуляторе возникают автоколебания, приводящие к износу пары седло-клапан, так как регулятор содержит упругий элемент (пружину), который способствует возникновению колебательных движений клапана относительно седла, что приводит к пульсациям давления в выходной полости (давления потребителя). Таким образом, при малых расходах в таких системах развиваются автоколебания клапана, что существенно снижает надежность и точность поддержания выходного давления.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении ресурса регулятора и повышении надежности работы и точности поддержания выходного давления при малых расходах газа, снижении шума.
Технический результат достигается тем, что в регуляторе давления газа, содержащем каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, при этом разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа, полость управляющего давления сообщена с системой командного давления газа, канал входа сообщен с каналом выхода посредством поршневого клапана, взаимодействующего с седлом, расположенным в канале входа, новым является то, что седло снабжено накидной гайкой с образованием между ними полости, внутри которой установлено съемное уплотнение, фиксируемое накидной гайкой, а на поршневом клапане со стороны входа герметично установлено съемное профилированное кольцо, профиль которого входит в полость между седлом и накидной гайкой и образует дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении поршневого клапана.
Съемное уплотнение между седлом и накидной гайкой - деформируемое.
Дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, имеет хорошо обтекаемые поверхности.
Дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, имеет в начальном участке цилиндрическую часть, переходящую в расширяющуюся часть.
Дроссельный канал, образуемый седлом, накидной гайкой и профилированным кольцом, образован комбинированными ступенчато изменяемыми конусными поверхностями с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности.
Накидная гайка со стороны поршневого клапана имеет хорошо обтекаемую поверхность.
На наружной поверхности седла со стороны его контакта с корпусом регулятора имеется уплотнение, а между поршневым клапаном и профилированным кольцом также имеется уплотнение.
На фиг. 1 представлен продольный разрез регулятора давления.
На фиг. 2 представлен продольный разрез узла дросселирования с плавными образующими поверхностей дроссельного канала.
На фиг. 3 представлен продольный разрез узла дросселирования с ступенчато изменяемыми конусными поверхностями дроссельного канала.
На фиг. 4 представлен продольный разрез узла дросселирования с цилиндрической частью дроссельного канала на его начальном участке.
Здесь: 1 - корпус; 2 - седло; 3 - поршневой клапан; 4 - отверстия отбора статического давления; 5 - канал входа газа; 6 - накидная гайка; 7- уплотнение между внутренней поверхностью седла 2 и накидной гайкой 6; 8 - заглушка; 9 - жиклер; 10 - штуцер командного давления; 11 - фильтр; 12 - уплотнительное кольцо на наружной поверхности седла 2 со стороны его контакта с корпусом 1; 13 - канал выхода газа; 14 - профилированное кольцо; 15 - поршень; 16 - разгрузочная полость; 17 - канал передачи управляющего давления; 18 - полость командного давления; 19 - манжета; 20 - полость давления обратной связи; 21 - манжета штока; 22 - крышка; 23 - стакан; 24 - полость компенсации входного давления; 25 - шток; 26 - сквозной осевой канал; 27 - стопорное кольцо; 28 - прокладка; 29 - канал передачи давления обратной связи; 30 - регулирующий поршень; 31 - пружина; 32 - неподвижная втулка; 33 - уплотнение поршня 15; 34 - уплотнительное кольцо между поршневым клапаном 3 и профилированным кольцом 14; 35 - съемное деформируемое уплотнение в полости между седлом 2 и накидной гайкой 6; 36 - штуцер давления обратной связи; 37 -магистраль давления обратной связи; 38 - магистраль командного давления; 39 - поверхность дроссельного канала, образуемая седлом 2; 40 - внешняя поверхность профилированного кольца 14; 41 - внутренняя поверхность профилированного кольца 14; 42 - поверхность дроссельного канала, образуемая накидной гайкой 6.
Регулятор давления содержит каналы входа 5 и выхода 13 газа, корпус 1 с крышкой 22, внутри которого на штоке 25, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршень 15 и поршневой клапан 3 с профилированным кольцом 14, сообщающий каналы входа 5 и выхода 13 газа, при взаимодействии с седлом 2 и регулирующий поршень 30 с образованием соответственно разгрузочной полости 16 и полости командного давления 18, герметично разделенные между собой посредством неподвижной втулки 32. Седло 2 снабжено накидной гайкой 6 с образованием между ними полости, внутри которой установлено деформируемое уплотнение 35, фиксируемое накидной гайкой 6, а на поршневом клапане 3 со стороны входа герметично установлено профилированное кольцо 14 с выступом по периферии. Выступ профилированного кольца 14 входит в полость между седлом 2 и накидной гайкой 6 и образует дроссельный канал с изменяемой площадью проходного сечения при перемещении поршневого клапана 3. Поверхность 39 седла 2, поверхность деформируемого уплотнения 35, поверхность 41 накидной гайки 6, поверхности 40 и 41 профилированного кольца 14 (фиг. 2) определяют геометрию дроссельного канала, через который поступает (дросселируется) газ из канала входа 5 в канал выхода 13 при «открытом» регуляторе. Пружина 31, опираясь на неподвижную втулку 32, поджимает поршень 15 и поршневой клапан 3 вместе с профилированным кольцом 14 к легко съемному деформируемому уплотнению 35, что обеспечивает герметичность регулятора давления в «закрытом» положении. На наружной поверхности седла 2 со стороны его контакта с корпусом 1 регулятора установлено уплотнительное кольцо 12, которое обеспечивает герметичность соединения и отделяет канал входа газа 5 от канала выхода 13. Между внутренней поверхностью седла 2 и накидной гайкой 6 установлено уплотнение 7. Между регулирующим поршнем 30 и крышкой 22 в корпусе 1 образована полость давления обратной связи 20. Между регулирующим поршнем 30 и неподвижной втулкой 32 в корпусе 1 образована полость командного давления 18. Между поршнем 15 и неподвижной втулкой 32 в корпусе образована разгрузочная полость 16, сообщенная с каналом входа газа 5. Полость командного давления 18 сообщена с магистралью командного давления 38 посредством канала 17 и штуцера 10. Полость давления обратной связи 20 сообщена с магистралью давления обратной связи 37 посредством канала 29 и штуцера 36. В хвостовой части штока 25 образована полость компенсации входного давления 24, сообщенная с каналом входа газа 5 посредством сквозного осевого канала 26 в штоке 25, соединенного с отверстием отбора статического давления 4.
Регулятор давления работает совместно с системой командного давления газа, в качестве которой может использоваться задатчик давления (пилот-регулятор), редуктор и прочие аналогичные устройства. В этих устройствах чаще всего применяется регулируемый газ в качестве рабочего тела.
Для открытия регулятора система командного давления газа настраивается на определенное заданное давление, которое по магистрали командного давления 38 через штуцер 11 передается в полость командного давления 18. Под действием командного давления регулирующий поршень 30 перемещается и через жестко связанный со штоком 25 поршневой клапан 3 открывает регулятор давления. Редуцирование газа происходит при прохождении его через дроссельный канал, образуемый поверхностью 42 накидной гайки 6, поверхностью деформируемого уплотнения 35, поверхностями 40 и 41 профилированного кольца 14, поверхностью 39 седла 2 (фиг. 2, 3, 4). В процессе работы возможна дополнительная коррекция величины управляющего давления для выбора того или иного режима работы регулятора по выходному давлению, величина которого задается потребителем газа. При увеличении расхода потребляемого газа давление в канале выхода газа 13 уменьшается и по магистрали давления обратной связи 37 передается по каналу 29 в полость 20. Снижение давления в полости 20 приводит к нарушению равновесия регулирующего поршня 30 и его перемещения, а вместе с ним и перемещению поршневого клапана 3, в результате чего увеличивается проходная площадь дроссельного канала, а следовательно, и расход газа. Регулирующий поршень 30 перемещается вместе с поршневым клапаном 3 до тех пор, пока не установится равновесие, соответствующее заданному выходному давлению при новом расходе. При уменьшении расхода потребляемого газа давление в канале выхода газа 13 повышается, что приводит к обратному перемещению регулирующего поршня 30 и уменьшению площади дроссельного канала. Для снижения колебаний давления, возникающих в канале выхода газа 13, и обеспечения устойчивой работы регулятора давления предусмотрена магистраль давления обратной связи 37, сообщающая полость давления обратной связи 20 с магистралью потребителя в сечении, расположенном на расстоянии не менее шести диаметров трубопровода после регулятора давления.
Для обеспечения устойчивой работы регулятора при малых расхода газа, предотвращения залипания профилированного кольца 14 и снижения автоколебаний геометрия дроссельного канала задается таким образом, чтобы при малых расходах, а следовательно, и малых проходных сечениях дроссельного канала, перемещение поршневого клапана 3 не приводило к существенному изменению проходного сечения дроссельного канала.
Это достигается профилированием поверхностей 39, 40, 41, 42. На фиг. 2 представлен продольный разрез дроссельного канала с плавными образующими, где касательные к поверхностям 39 и 42 в месте их контакта со съемным деформируемым уплотнением 35 образуют угол, близкий к 90°, по отношению к поверхности деформируемого уплотнения 35. Радиусы скругления R у поверхностей 40 и 41 профилированного кольца 14 составляют R≤0,5 L, где L - толщина профилированного кольца 14.
На фиг. 3 представлен продольный разрез узла дросселирования со ступенчато изменяемыми конусными поверхностями дроссельного канала. Поверхности дроссельного канала 42, образованные накидной гайкой, и 39, образованные седлом, выполнены комбинированными в виде ступенчато изменяемых конусных поверхностей с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности.
На фиг. 4 представлен продольный разрез узла дросселирования, в котором дроссельный канал, образуемый поверхностью 39 седла 2 и поверхностью 42 накидной гайки 6 и профилированным кольцом 14, имеет начальный цилиндрический участок, переходящий в расширяющуюся часть.
При дросселировании газа вследствие высоких скоростей потока и возможном присутствии в газе различных абразивных частиц происходит эрозия элементов дроссельного канала.
Элементы дроссельного канала накидная гайка 6, седло 2, профилированное кольцо 14 изготавливаются из износоустойчивого материала и позволяют проводить их демонтаж и замену, что повышает ресурс регулятора и надежность его работы. Деформируемое уплотнение 35 легко снимается и заменяется, что также способствует повышению ресурса регулятора и надежности его работы. Кроме того, смена профилированного кольца 14, и/или накидной гайки, 6 и/или седла 2 позволяет легко осуществлять изменение эксплуатационных характеристик регулятора, увеличивать или уменьшать диапазон регулирования по расходу, давлению и обеспечивает его ремонтопригодность.
Незначительное изменение площади дроссельного канала, имеющее место при малом удалении поршневого клапана 3 от поверхности деформируемого уплотнения 35 (от нескольких долей мм. до 1-2 мм), обеспечивает устойчивую работу регулятора при малых расходах и снижает автоколебания в системе регулирования расхода газа и предотвращает залипание профилированного кольца 14.
Геометрия дроссельного канала обеспечивается тем, что:
- дроссельный канал, образуемый седлом 2, накидной гайкой 6 и профилированным кольцом 14, имеет хорошо обтекаемые поверхности;
- дроссельный канал имеет в начальном участке цилиндрическую часть, переходящую в расширяющуюся часть;
- дроссельный канал образован комбинированными ступенчато изменяемыми конусными поверхностями с различными углами при вершине конусов: начальный участок с малым углом конусности и сопряженный с ним участок с большим углом конусности;
- накидная гайка 6 со стороны поршневого клапана 3 имеет хорошо обтекаемую поверхность.
При дросселировании газа образуется существенный перепад давлений между каналом входа 5 и каналом выхода 13 (в том числе и сверхкритический перепад давлений) в потоке генерируются колебания, обусловленные отрывными явлениями и автоколебаниями, при этом хорошо обтекаемые поверхности и специальное профилирование дроссельного канала позволяет уменьшить уровень шумов, генерируемых в регуляторе