Регулятор давления прямого действия
PRESSURE CONTROLLER OF DIRECT ACTION

Изобретение относится к регулирующей арматуре и главным образом к многоступенчатым регуляторам прямого действия.
Известны регуляторы давления прямого действия, работающие по неразгруженной схеме (см. патенты США 3960358, 4264961). Недостатком этих регуляторов является большая погрешность и инерционность регулирования.
Известны блоки редуцирования с защитой (БРЗ), изготавливаемые фирмой ООО «Газприборавтоматика», обеспечивающие редуцирование и стабилизацию выходного давления природного газа, а также перекрытие редуцируемой нитки при повышении или понижении выходного давления заданной уставки (см. http://gpa.ru/DOCS/CAT/BR.pdf). Основными недостатками приведенных БРЗ являются:
- сложность схемы редуцирования;
- низкая надежность, как регуляторов давления, так и отсечных клапанов;
- недостаточная герметичность в «стоп-режиме».
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к предлагаемому изобретению является регуляторы давления прямого действия MR SF6 и MR НР20 фирмы «Elster», состоящие из корпусов с входными и выходными фланцами, седел и регулирующих плунжеров, мембранных приводов и запорных предохранительных клапанов (см. http://gaselectro.ru /market/ regulyatory davleniya gaza/ regulyator davleniya gaza mr ru 6.html, и http:// gaselectro.ru/ dokumentaciya/ rukovodstva po ekspluatacii/re regulyatory davleniya gaza mr hp20.html). Недостатками указанных регуляторов являются:
- невысокая точность регулирования, особенно в области поддержания небольших перепадов давления из-за больших сил трения, возникающих в узлах уплотнения штоков;
- низкий порог чувствительности при изменении направления движения исполнительного клапана;
- высокий уровень шума, более 85 дБ;
- возможность появления и развития кавитации при одноступенчатом дросселировании и больших перепадах давления;
- потеря рабочей среды при нарушении герметичности рабочих мембран.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности регулятора и улучшение качества его регулирования.
Поставленная цель достигается тем, что корпус регулятора выполнен в виде коаксиальных цилиндров, объем между которыми поделен поперечными перегородками, при этом на наружном цилиндре установлены входной и выходной фланцы, а на внутреннем цилиндре между перегородками выполнены пазы с перфорированными сетками для прохода рабочей среды одинаковой высоты, равной ходу регулирующего плунжера, который выполнен в виде золотника, состоящего также из двух коаксиальных цилиндров, соединенных поперечными перегородками, при этом на наружном цилиндре золотника выполнены окна, а на нижней и верхней перегородках отверстия для прохода рабочей среды, при этом верхняя перегородка золотника соединена с мембранным приводом с помощью штока, который проходит через демпфирующее устройство в виде фланца с резиновым уплотнителем, контактирующим со штоком, а кроме того, регулятор снабжен системой защиты в виде скоростного клапана, смонтированного на крышке мембранного привода, трехходового переключателя рабочей среды и запорного клапана, установленного на входном фланце регулятора и выполненного в виде наружного и внутреннего цилиндра, при этом на внутреннем цилиндре проделаны окна для прохода рабочей среды и установлен поршень в форме стакана, а между внутренним цилиндром и поршнем образована камера, в которой размещена пружина, воздействующая на поршень в сторону его открытия, а кроме того запорный клапан гидравлически взаимосвязан с трехходовым переключателем рабочей среды, смонтированным на корпусе регулятора и выполненным в виде золотника и корпуса, в котором проделаны шесть сквозных симметричных каналов, разнесенных по высоте, при этом три канала с одной стороны корпуса подключены трубопроводом к камере запорного клапана, а с другой стороны корпуса - верхний и нижний каналы подключены трубопроводом к полости выходного фланца регулятора, а средний канал - к полости на входе, запорного клапана, а в золотнике, установленном в корпусе и подпружиненным с обеих сторон, выполнена кольцевая канавка, соединяющая средние каналы на корпусе, и два уплотнительных кольца, а именно, верхнее кольцо, перекрывающее верхние каналы на корпусе, и нижнее кольцо, перекрывающее нижние каналы, а кроме того, через золотник пропущена штанга с двумя упорами, соединенная с регулирующим плунжером регулятора.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенна! признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».
На чертеже представлена конструктивная схема трехступенчатого регулятора давления прямого действия «после себя», с помощью которой поясняется его работа.
Регулятор давления прямого действия содержит корпус, который образован двумя коаксиальными цилиндрами, внешним 1 и внутренним 2, объем между которыми разделен поперечными перегородками 3. На наружном цилиндре 1 установлены входной фланец 4 и выходной 5, а на внутреннем цилиндре 2 между перегородками 3 выполнены пазы 6 одинаковой высоты, равной ходу регулирующего плунжера, который выполнен в виде золотника, состоящего из наружного цилиндра 7, в котором выполнены окна 8 и внутреннего цилиндра 9, соединенных поперечными перегородками, при этом в верхней 10 и нижней 11 перегородке выполнены отверстия 12 для прохода рабочей среды. Для снижения уровня шума при прохождении рабочей среды через пазы регулятора на наружную поверхность внутреннего цилиндра 2 нанесены перфорированные сетки 13. Шток 14 соединяет верхнюю перегородку 10 золотника регулятора с мембранным приводом 15, который закреплен на корпусе регулятора при этом мембранный привод 15 снабжен скоростным клапаном 16, обеспечивающим безопасность рабочего объекта и устраняющий потерю рабочей среды в случае разрушения мембраны в узле мембранного привода. Для демпфирования колебаний в процессе регулирования шток 14 контактирует с резиновым уплотнением 17, закрепленным на фланце 18.
Для обеспечения безопасности регулируемого объекта в случае выхода регулируемого давления за аварийные границы регулятор снабжен системой защиты в виде трехходового переключателя рабочей среды, закрепленного на корпусе регулятора, и запорного клапана, монтируемого на входном фланце 4 регулятора и выполненного в виде наружного цилиндра 19 и внутреннего цилиндра 20. На внутреннем цилиндре 20 проделаны окна 21 для прохода рабочей среды и установлен поршень 22 в форме стакана, поджимаемый к упору 23 пружиной 24, установленной в камере 25, образованной между поршнем 22 и внутреннем цилиндром 20, на котором смонтировано уплотнительное резиновое кольцо 26, обеспечивающее герметичность между цилиндром 20 и поршнем 22, а также установлено седло 27, создающее герметичность для прохода рабочей среды после посадки поршня 22 на седло 27. Запорный клапан гидравлически взаимосвязан с трехходовым переключателем рабочей среды, который закреплен на нижней части корпуса регулятора и выполнен в виде золотника 28, размещенного в корпусе 29 переключателя. В корпусе 29 переключателя выполнено шесть сквозных симметричных каналов, разнесенных по высоте, при этом верхний, средний и нижний каналы 30, 31 и 32 выполнены на одной стороне корпуса 29, трубопроводом 33 подключены к камере 25 запорного клапана, а верхний канал 34 и нижний канал 35 подключены трубопроводом 36 к выходному фланцу 5 регулятора, средний канал 37 - трубопроводом 38 к наружному цилиндру 19 запорного клапана, при этом верхние каналы 30 и 34 перекрываются уплотнительным кольцом 39, а нижние каналы 32 и 35 - уплотнительным кольцом 40, установленных на золотнике 28. На золотнике 28 между кольцами 39 и 40 выполнена кольцевая канавка 41, соединяющая средние каналы 37 и 31. Золотник 28, установленный в корпусе 29, подпружинен с двух сторон пружинами 42 и 43 и через него пропущена штанга 44 с регулируемыми упорами 45 и 46, которая соединена с поперечной перегородкой 11. На корпусе 29 установлен регулирующий винт 47, обеспечивающий правильное исходное положение регулирующего органа в корпусе регулятора.
Вход рабочей среды в регулятор осуществляется последовательно через полость 48 на входе запорного клапана и полость 49 входного фланца 4, а подача рабочей среды к потребителю - из полости 50 выходного фланца 5 регулятора.
На чертеже отражено положение регулятора, соответствующее одному установившемуся режиму работы.
вх
1
Поток рабочей среды с давлением Р из полости 48 на входе запорного клапана проходит окна 21 и поступает в полость 49 входного фланца 4 регулятора, после чего его давление понижается в первой ступени до промежуточного давления Р, за счет дросселирования через проходное сечение, равное площади зазора, образованного между пазами 6 внутреннего цилиндра 2 корпуса регулятора и окнами 8 наружного цилиндра 7 золотника.
1
1
2
После первой ступени редуцирования рабочий поток с давлением Р делится на два потока, при этом один поток движется вверх, а другой вниз между внутренним цилиндром 9 и наружным цилиндром 8 золотника, после чего давление каждого потока с давлением Р понижается до промежуточного Р во второй Ступени редуцирования после дросселирования каждого из потоков через прободные сечения, равные площади зазора, образованного между пазами 6 внутреннего цилиндра 2 корпуса регулятора и окнами 8 наружного цилиндра 7 золотника.
2
вх
После второй ступени редуцирования оба потока движутся между внутренним цилиндром 2 и внешним цилиндром 1, а затем давление каждого потока понижается с Р до Р в третьей ступени редуцирования после дросселирования каждого из потоков как и ранее через проходные сечения, равные площади зазора, также образованного между пазами 6 внутреннего цилиндра 2 корпуса регулятора и окнами 8 наружного цилиндра золотника.
вых
вых
После третьей ступени дросселирования нижний поток проходит через внутренний цилиндр 9 золотника и соединяется с верхним потоком, после чего общий рабочий поток из полости 50 выходного фланца 5 с давлением Р направляется потребителю, в котором регулятором поддерживается требуемое давление, равное Р.
вых
В том случае, если давление Р будет увеличиваться, то при некотором значении перепада давления произойдет нарушение силового равновесия на мембранном приводе 15. Это приведет к перемещению золотника, связанного штоком 14 с мембранным приводом 15 вверх, что приведет к изменению расхода через регулятор за счет одновременного уменьшения площади проходного сечения F во всех ступенях регулятора, определяемый из выражения
F=h⋅δ⋅n, где:
h - высота паза, равная для всех ступеней, выполненного на внутреннем цилиндре 2 корпуса регулятора;
δ - ширина паза;
n - количество пазов.
Вполне понятно, что в зависимости от конкретных параметров и условий работы для оптимального режима работы рассчитывается и количество ступеней регулятора, количество и ширина пазов, но высота пазов для всех ступеней регулятора остается одинаковой, что обеспечивает возможность регулирования от одного мембранного привода 15.
вх
вх
вых
вх
вых
вх
В том случае, если рост давления за регулятором будет продолжаться и превысит установленную границу безопасности, то автоматически прекратится подача рабочей среды через запорный клапан. Это достигается перемещением в трехходовом переключателе рабочей среды золотника 28 в новое положение, которое осуществляется под действием упора 46, установленного на штоке 44, соединенного с золотником регулятора. В этом случае упор 46, преодолевая усилие пружины 42, передвинет золотник в новое положение, в котором уплотнение 40 перекроет каналы 31 и 37, выполненные на корпусе 29, что прекратит подачу рабочей среды с давлением Р из полости 48 по трубопроводу 38 и одновременно кольцевая канавка 41 соединит проход между каналами 30 и 34, что приведет к сообщению объема камеры 25 с полостью 50 выходного фланца 5 через трубопровод 33, открывшиеся каналы 30 и 34 и трубопровод 36. В результате давление в камере 25 с Р упадет до давления Р и поршень 22 под действием усилия, действующего на него от входного давления рабочей среды P садится на седло 27 и перекрывает расход рабочей среды через окна 21, обеспечивая при этом высокую степень герметичности регулятора и безопасность работы потребителя. Если давление на выходе Р из регулятора возвращается в зону регулирования, то золотник 28 под действием ранее сжатой пружины 42 возвращается в исходное положение, отраженное на чертеже. При этом уплотнение 39 перекрывает каналы 30 и 34, уплотнение 40 разобщит каналы 32 и 35, а кольцевая канавка 41 вновь соединяет каналы 31 и 37, обеспечивая проход рабочей среды с давлением Р по трубопроводу 38 в камеру 25 запорного клапана. В результате давление над и под поршнем 22 выравнивается и поршень 22 под действием пружины 24 передвинется до упора 23, открывая проход рабочей среде через окна 21 на вход регулятора. В результате регулятор возобновит свою работу.
вых
вх
Система защиты регулятора обеспечивает безопасность работы потребителя также в случае падения выходного давления Р за границу допустимой безопасности. В этом случае упор 45, преодолевая усилие пружины 43, передвинет золотник 28 в положение, при котором уплотнение 39 перекроет каналы 31 и 37, а кольцевая канавка 41 соединит проход между каналами 32 и 35. В результате заблокируется подача рабочей среды из полости 48 в камеру 25, произойдет падение давления в камере 25 до давления равного давлению в полости 50 выходного фланца 5 и поршень 22 под действием усилия, действующего на него от входного давления рабочей среды Р садится на седло 27 и перекрывает расход рабочей среды через окна 21.
Если выходное давление возвращается в зону регулирования, то золотник 28 под действием ранее сжатой пружины 43 вновь вернется в исходное положение, отраженное на чертеже и регулятор возобновит свою работу. Для того, чтобы обеспечить быстрый сброс давления из объема камеры 25 между корпусом 26 и поршнем 22 установлено уплотнение 26, препятствующее перетечке рабочей среды в камеру 25.
В регуляторе предусмотрена также защита в случае разрыва мембраны в мембранном приводе 15. В этом случае, во-первых, происходит отключение подачи рабочей среды за счет посадки поршня 22 на седло 20, которая происходит по той же схеме, что и при падении выходного давления за границу допустимой безопасности, с той лишь разницей, что включение регулятора в работу не произойдет до устранения неисправности, а во-вторых, в случае прорыва мембраны происходит закрытие скоростного клапана 16 под действием потока, прорвавшегося через мембрану, что устраняет потерю рабочей среды в окружающую атмосферу.
Регулятор снабжен демпфирующим устройством в виде резинового кольца 7, закрепленного на фланце 18. Через резиновое кольцо пропущен шток 14, контактирующий с кольцом 17, что устраняет возможность возникновения автоколебаний в процессе работы регулятора, а установка на внутреннем корпусе 2 перфорированных сеток 13 обеспечивает снижение излучения шума и оптимизацию уровня шума в процессе дросселирования.
Предложенная конструкция регулятора позволяет также за счет рационального числа ступеней дросселирования избежать возникновения кавитации в случае регулирования газовых и парообразных сред высокого давления. В тоже время, как видно из описания работы, конструктивная схема регулятора давления обеспечивает поставленную цель, а именно - надежность работы - за счет предложенной системы защиты, а качество регулирования за счет силовой разгрузки золотника от усилий, возникающих от давления рабочей среды и минимизации усилия от механического трения между золотником и корпусом регулятора.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная новизна».