УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FLUID FLOW RATE CONTROL DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в целом касается регуляторов расхода текучих сред и, в частности, устройства для регулирования расхода текучих сред, содержащего саморегулирующийся усилитель потока, предназначенный для повышения стабильности расхода текучей среды.
Уровень техники
На перерабатывающих промышленных предприятиях регулирующие клапаны нашли широкое применение, например, для управления расходом текучей среды (то есть газа, жидкости и т.п.) в операции переработки. Регулирование потока газа требует, чтобы регулирующий клапан обеспечивал и поддерживал низкий расход газа до тех пор, пока система, в которой проходит текучая среда, не потребует, чтобы регулирующий клапан обеспечивал более высокий расход. Однако, вследствие нестабильности регулирующих клапанов определенного типа в условиях низкого расхода, у такого регулирующего клапана может наблюдаться тенденция закрываться после открывания. Такое поведение типа включение-выключение может потребовать, чтобы техник вручную открывал ограничитель расхода, установленный в системе, для поддержания низкого расхода в любой момент времени. Однако это может привести к снижению точности работы регулирующего клапана в последующих условиях повышенного расхода. Кроме того, если такой регулирующий клапан подвергается требованиям цикличного изменения расхода, то не всегда имеется возможность присутствия техника, готового управлять ограничителем расхода.
Раскрытие изобретения
Устройство для регулирования усиления системы с регулируемым расходом текучей среды содержит усилительный клапан, соединенный со входом регулирующего клапана и предназначенный для приема потока текучей среды, а также для обеспечения подачи текучей среды с отрегулированной скоростью к клапанному механизму и на одну сторону запорного элемента регулирующего клапана. Усилительный клапан содержит дозирующую иглу в отверстии усилителя, и эта дозирующая игла соединяется с запорным элементом регулирующего клапана. Изменения расхода текучей среды на выходе регулирующего клапана заставляют механизм клапана регулировать откорректированный расход текучей среды и одновременно передвигать запорный элемент клапана и дозирующую иглу с целью изменения усиления в системе с регулируемым расходом текучей среды.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена в разрезе известная система регулирования расхода текучей среды.
На фиг.2 представлена в разрезе система регулирования расхода текучей среды, в которой содержится примерный вариант регулирующего клапана и примерный вариант саморегулирующегося усилительного клапана.
Осуществление изобретения
В целом описанные здесь примеры устройства и способов могут применяться для регулирования расхода текучей среды в различных типах процессов прохождения текучей среды. Кроме того, представленные здесь примеры описаны применительно к использованию их в управлении потоком продукта в перерабатывающей промышленности, однако описанные здесь примеры в более общем случае применимы в различных операциях управления процессами для различных целей.
На фиг.1 представлена известная система управления расходом текучей среды 10, в состав которой входят: регулирующий клапан 20, ограничитель 50, пилотный клапан 60 и фильтр текучей среды 70. Регулирующий клапан 20 имеет корпус клапана 21, вход 22, выход 24, вход приводного давления 25, седло клапана 26 в проходном сечении 28 и запорный элемент 30. Под воздействием упругого элемента 32 (например, пружины), размещенного в камере приводного давления 34, запорный элемент 30 стремится к контакту с седлом клапана 26. Упругий элемент 32 действует на конец 35 регулятора усилия пружины 33, расположенного с возможностью скольжения в фитинге 33а корпуса 21.
Система с текучей средой 10 также содержит байпасное соединение или соединение по текучей среде 40. Это соединение по текучей среде 40 содержит соединительный участок 42, который передает давление входной текучей среды на фильтр 70, соединительный участок 44, передающий давление входной текучей среды на ограничитель 50 с ручным управлением, соединительный участок 46, передающий сниженное давление входной текучей среды или приводное давление текучей среды на вход приводного давления 25 регулирующего клапана 20, соединительный участок 47, передающий приводное давление текучей среды на пилотный клапан 60, и соединительный участок 48, передающий приводное давление текучей среды на выход 24 пилотного клапана 60.
Пилотный клапан 60 содержит корпус 61, камеру 62а, сообщающуюся с атмосферой через отверстие 63, и пружину с ручной регулировкой 64, контактирующую с диафрагмой 65. Модуль запорного элемента клапана 68 прикреплен к диафрагме 65 и имеет скользящий запорный элемент 67 с клапанной головкой 67а, взаимодействующий с пружиной клапанной головки 69. Клапанная головка 67а управляет расходом текучей среды через седло клапана 61а. Корпус 60 содержит вход текучей среды 61b, который передает выходное давление текучей среды в соединительном участке 48 к камере 62b, расположенной на стороне диафрагмы 65, противоположной камере 62а.
Ограничитель расхода 50 снижает или ограничивает подачу текучей среды и давление, передаваемое от соединительного участка 42, таким образом, что сниженное входное давление текучей среды или приводное давление текучей среды передается через соединительный участок 46 ко входу приводного давления 25 и камере приводного давления 34 регулирующего клапана 20. Это приводное давление текучей среды также передается соединительным участком 47 к клапанной головке 67а у седла клапанной головки 61а пилотного клапана 60. В обычных условиях клапанная головка 67а отделена от седла клапанной головки 61а, поэтому приводное давление текучей среды может передаваться через седло клапанной головки 61а к соединительному участку 48.
Основная функция регулирующего клапана 20 состоит в том, чтобы приводить расход текучей среды, протекающей через регулирующий клапан 20, в соответствие с требованиями, предъявляемыми расположенной далее по течению частью системы 10 (требования расположенной далее по течению части системы представляют собой требования к расходу текучей среды в направлении стрелки А на фиг.1). В то же самое время регулирующий клапан 20 должен поддерживать давление текучей среды на выходе 24 системы 10 в определенных пределах. Когда требования к расходу текучей среды со стороны расположенной далее по течению части системы в направлении стрелки А являются постоянными, клапанная головка 67а отделена от седла клапана 61а пилотного клапана 60, поэтому приводное давление, переданное к соединительному участку 46, на вход приводного давления 25 и к камере приводного давления 34, поддерживает нужное положение запорного элемента 30 в регулирующем клапане 20. Когда требования к расходу текучей среды со стороны расположенной далее по течению части системы 10 изменяются, измененное давление на выходе 24, в соединительном участке 48 и в камере 62b пилотного клапана 60 заставляет диафрагму 65 соответственно отреагировать. Результирующее действие пилотного клапана 60 приводит к регулировке приводного давления, передаваемого к камере приводного давления 34 с тем, чтобы изменить и удерживать в измененном состоянии положение запорного элемента 30 регулирующего клапана 20.
Например, если расположенная далее по течению часть системы требует увеличить расход текучей среды в направлении стрелки А системы 10, давление текучей среды в соединительном участке 48 и в камере 62b падает, позволяя диафрагме 65 слегка опуститься, в результате чего клапанная головка 67а движется вниз и отдаляется от седла клапанной головки 61а. Опускание клапанной головки 67а позволяет большей величине приводного давления в соединительном участке 47 пройти далее по течению к соединительному участку 48 быстрее, чем давление текучей среды в соединительном участке 44 может просочиться через ограничитель 50. Это снижает приводное давление в соединительном участке 46, на входе приводного давления 25 и в камере приводного давления 34 таким образом, что давление текучей среды в проходном сечении 28 вынуждает запорный элемент 30 отдаляться от клапанного седла 26 с целью увеличения потока текучей среды к выходному отверстию 24. Подобным же образом, снижение требований к расходу текучей среды со стороны расположенной далее по течению части системы 10 вынуждает давление текучей среды в соединительном участке 48 и в камере 62b пилотного клапана 60 увеличиваться и поднимать диафрагму 65 вверх по направлению к седлу клапана 61а. Движение диафрагмы 65 вверх смещает клапанную головку 67а вверх, приводя к ограничению расхода текучей среды через седло клапанной головки 61а, вызывая соответственно увеличение приводного давления, передаваемого к камере приводного давления 34. Увеличение приводного давления в камере приводного давления 34 вынуждает запорный элемент 30 двигаться вверх к седлу клапана 26 с целью ограничить расход текучей среды через проходное сечение 28 к выходу 24.
Показанные на фиг.1 пилотный клапан 60 и ограничитель 50 выполняют функцию изменения рабочей чувствительности регулирующего клапана 20. Чем больше возможность обнаружить изменение давления расположенной далее по течению части системы 10 и транслировать его в более значительное изменение приводного давления текучей среды, тем регулирующий клапан 20 будет более чувствительным к изменениям требований к расходу текучей среды со стороны расположенной далее по течению части системы. Пилотный клапан 60 усиливает приводное давление в соответствии с давлением в расположенной далее по течению части системы, а величина этого усиления называется усилением или пилотным усилением. Таким образом, изменение приводного давления текучей среды, вызванное изменением давления в расположенной далее по течению части системы, перемещает запорный элемент 30 клапана в соответствующее положение с целью регулирования расхода текучей среды через регулирующий клапан 20.
Однако в условиях низкого расхода текучей среды в системе с текучей средой 10, показанной на фиг.1, работа регулирующего клапана имеет тенденцию к нестабильности, типа включения-выключения (например, может ограничивать цикл или совершать колебания между включенным и выключенным состояниями). Если в регулирующем клапане 20 небольшое количество текучей среды протекает через седло клапана 26, то регулирующий клапан 20 может закрыться и прекратить движение текучей среды вместо того, чтобы оставаться открытым, обеспечивая относительно стабильный расход текучей среды через выход 24. Для того чтобы помочь минимизировать эту нестабильную операцию включения-выключения системы с текучей средой 10, техник может вручную немного приоткрыть ограничитель 50, чтобы увеличить величину расхода текучей среды на входе, сообщающемся с соединительным участком 46, что позволяет снизить пилотное усиление и дает возможность запорному элементу 30 регулирующего клапана 20 занять стационарное или стабильное открытое положение. Однако такое снижение пилотного усиления также снижает точность работы регулирующего клапана 20, когда расположенная далее по течению часть системы требует увеличить расход текучей среды. Другими словами, корректировка положения ограничителя для увеличения входного потока текучей среды к соединительному участку 46 обеспечивает дополнительную стабильность в начальной стадии работы системы с текучей средой 10, однако также приводит к общему снижению точности работы системы с текучей средой 10. Кроме того, для ручной регулировки ограничителя 50 при пуске работы системы с текучей средой требуется присутствие техника. Однако для систем с текучей средой, которые имеют циклические требования к расходу текучей среды, техник не всегда может оказаться на месте, чтобы отрегулировать ограничитель 50 в ответ на изменение требований к расходу.
На фиг.2 показана в разрезе система с текучей средой 200, имеющая примерный вариант регулирующего клапана 220 и примерный вариант автоматически регулируемого или саморегулирующегося усилительного клапана 180. Устройства, представляющие собой структурные элементы системы с текучей средой 200 по фиг.2, являющиеся теми же или подобными, что и структурные элементы системы с текучей средой 10 по фиг.1, имеют те же численные обозначения, увеличенные на 100. Система с текучей средой 200 содержит пилотный клапан 160 и фильтр текучей среды 170. Образец регулирующего клапана 220 имеет корпус 221, вход 222, выход 224, вход приводного давления 225, седло клапана 226 в проходном сечении клапана 228, а также запорный элемент клапана 230. Упругий элемент 232, расположенный в камере приводного давления 234, прижимает запорный элемент 230 к седлу клапана 226 до контакта с ним. Упругий элемент 232 прижимается к концу 235 регулятора усилия пружины 233, расположенного с возможностью скольжения в фитинге 233а корпуса 221. Регулятор усилия пружины 233 выступает за пределы фитинга 233а, что дает ему возможность соединяться или составлять одно целое с подвижным разъемом 187, расположенным в образце саморегулирующегося усилительного клапана 180 и выходящим за его пределы. Регулятор усилия пружины 233 и подвижный разъем 187 совместно образуют соединение фиксированной длины, в результате чего регулятор усилия пружины 233 и калибровочный стержень или дозирующая игла 186 усилителя при смещении будут проходить одно и то же расстояние.
Система с текучей средой 200 также содержит байпасное соединение или соединение по текучей среде 140. Это соединение по текучей среде 140 содержит соединительный участок 142, который передает входное давление текучей среды на фильтр текучей среды 170, соединительный участок 144, передающий входное давление текучей среды на образец саморегулирующегося усилительного клапана 180, соединительный участок 146, передающий сниженное входное давление текучей среды или приводное давление текучей среды на вход приводного давления 225 образца регулирующего клапана 220, соединительный участок 147, передающий приводное давление текучей среды на пилотный клапан 160, и соединительный участок 148, передающий выходное давление текучей среды с выхода 224 на пилотный клапан 160.
Пилотный клапан 160 по фиг.2 идентичен пилотному клапану 60, описанному выше согласно фиг.1, а следовательно, не нуждается в повторном описании.
Образец автоматически регулируемого или саморегулирующегося усилительного клапана 180 содержит корпус усилителя 181 с входом усилителя 182, выход усилителя 183, отверстие усилителя 184, расположенное в камере усилителя 185, а также дозирующую иглу усилителя 186, соединенную с подвижным разъемом 187. Дозирующая игла усилителя 186 и отверстие усилителя 184 ограничивают входное давление текучей жидкости между входом усилителя 182 и его выходом 183. Подвижный разъем 187 соединяет дозирующую иглу усилителя 186 с регулятором усилия пружины 233, выступающим из фитинга 233а.
Образец саморегулирующегося усилительного клапана 180 снижает или ограничивает входное давление текучей среды, полученное из соединительного участка 142 и переданное как приводное давление текучей среды через соединительный участок 146 на вход приводного давления 225 и в камеру приводного давления 234 образца регулирующего клапана 220. Приводное давление текучей среды также передается соединительным участком 147 к клапанной головке 167а возле седла клапанной головки 161а пилотного клапана 160. В обычных условиях клапанная головка 167а не прижата к седлу клапана 161а, поэтому приводное давление текучей среды может быть передано через седло клапана 161а к соединительному участку 148.
Основная функция регулирующего клапана 220 состоит в том, чтобы обеспечить величину расхода текучей среды через регулирующий клапан 220, соответствующую требованию к расходу текучей среды, предъявляемому расположенной далее по течению частью системы (т.е. требование со стороны расположенной далее по течению части системы, представляющее собой требование к расходу текучей среды в направлении стрелки А на фиг.2) с текучей средой 200. В то же самое время регулирующий клапан 220 должен поддерживать давление потока текучей среды в определенных пределах на выходе 224 системы с текучей средой 200. Если требование к расходу текучей среды, предъявляемое со стороны расположенной далее по течению части системы, в направлении стрелки А является постоянным, то клапанная головка 167а отделена от седла клапана 161а пилотного клапана 160, поэтому приводное давление текучей среды передается на соединительный участок 146, на вход приводного давления 225 и к камере приводного давления 234 и поддерживает положение запорного элемента 230 в регулирующем клапане 220. Если требование к расходу текучей среды со стороны расположенной далее по течению части системы с текучей средой 200 изменяется, то измененное давление на выходе 224, в соединительном участке 248 и в камере 162b пилотного клапана 160 вынуждает диафрагму 165 отреагировать соответствующим образом. Результирующее действие пилотного клапана 160 вызывает корректировку приводного давления текучей среды, передаваемого на камеру приводного давления 234, с целью изменения и удерживания в новом состоянии положения запорного элемента регулирующего клапана 220.
Например, если в расположенной далее по течению части системы увеличивается потребление текучей среды в направлении стрелки А в системе с текучей средой 200, то давление текучей среды в соединительном участке 148 и в камере 162b уменьшается, позволяя слегка опуститься диафрагме 165, в результате чего клапанная головка 167а опускается, отдаляясь от седла клапанной головки 161а. Опускание клапанной головки 167а позволяет большей величине приводного давления быть переданной далее по течению к соединительному участку 148. Приводное давление текучей среды в соединительных участках 146 и 147 быстрее проходит далее по течению, чем давление текучей среды в соединительном участке 144 может переместиться или просочиться сквозь отверстие усилителя 184. Это уменьшение приводного давления текучей среды в соединительном участке 146, на входе приводного давления 225 и в камере приводного давления 234 приводит к тому, что давление текучей среды в проходном сечении 228 вынуждает запорный элемент 230 отдаляться от седла клапана 226, в результате чего увеличивается расход текучей среды на выходе клапана 224. Подобным же образом, снижение потребления текучей среды далее по течению в системе с текучей средой 200 приводит к повышению давления текучей среды в соединительном участке 148 и в камере корпуса 162b пилотного клапана 160, в результате чего диафрагма 165 поднимается к седлу клапанной головки 161а. Движение диафрагмы 165 вверх приводит к перемещению клапанной головки 167а вверх для воспрепятствования прохождению текучей среды через седло клапанной головки 161а и увеличения приводного давления текучей среды, передаваемого в камеру приводного давления 234. Увеличение приводного давления текучей среды в камере приводного давления 234 вынуждает запорный элемент клапана 230 приближаться к седлу клапана 226, уменьшая прохождение текучей среды через проходное сечение клапана 228 к выходу из корпуса 224.
В условиях низкого расхода текучей среды в системе 200 образец регулирующего клапана 220 работает с высокой точностью, позволяя осуществлять непрерывное прохождение текучей среды между входом 222 и выходом 224. Когда на выходе 224 образца регулирующего клапана 220 имеется небольшое количество текучей среды, запорный элемент 230 отделен небольшим промежутком от седла клапана 226 образца регулирующего клапана 220. Давление текучей среды в соединительном участке 148 вынуждает диафрагму 165 пилотного клапана 160 занять более высокое положение с тем, чтобы клапанная головка 167а препятствовала прохождению текучей среды через седло клапанной головки 161а. Без образца саморегулирующегося усилительного клапана 180 и образца регулирующего клапана 220 сдерживание прохождения текучей среды на седле клапанной головки 161а могло бы привести к более высокому давлению текучей среды в соединительном участке 146 и в камере 234 и заставить запорный элемент 230 прижаться к седлу клапана 226 и прекратить прохождение текучей среды через проходное сечение клапана 228. Однако образец саморегулирующегося усилительного клапана 180 и образец регулирующего клапана 220 выполняют работу по достижению стабильного непрерывного расхода текучей среды через проходное сечение клапана 228 системы с текучей средой 200.
В особенности, образец саморегулирующегося или автоматически регулируемого усилительного клапана 180 выполняет саморегулирование чувствительности или усиления системы с текучей средой 200 во время изменения требований к расходу текучей среды в части системы, расположенной далее по течению. В условиях низкого расхода текучей среды подвижный разъем 187 образца саморегулирующегося усилительного клапана 180 и регулятор усилия пружины 233, присоединенный к запорному элементу клапана 230, поднялись вверх на небольшое расстояние. Дозирующая игла усилителя 186, соединенная с подвижным разъемом 187, расположена по отношению к отверстию усилителя 184 таким образом, чтобы давать возможность приводному потоку текучей среды с заданным значением расхода проходить до выхода усилителя 183 и в соединительный участок 146. Этот заданный расход приводной текучей среды является достаточно большим, чтобы снизить приводное давление текучей среды и поддерживать низкое пилотное усиление. Система с текучей средой 200 достигает низкого значения усиления в условиях низкого расхода текучей среды. Таким образом, запорный элемент 230 остается открытым, обеспечивая стабильный непрерывный расход текучей среды в условиях требований низкого расхода текучей среды далее по течению.
Когда расположенная далее по течению часть системы с текучей средой 200 требует увеличения расхода текучей среды в направлении стрелки А, давление текучей среды в соединительном участке 148 падает, позволяя диафрагме 165 пилотного клапана 160 опуститься, в результате чего клапанная головка 167а позволяет увеличить расход текучей среды через седло клапанной головки 161а. Приводное давление текучей среды в соединительных участках 147 и 146 снижается так, что запорный элемент 230 может отдаляться от седла клапана 226 под воздействием давления в проходном сечении 228, таким образом, увеличивая прохождение текучей среды через образец регулирующего клапана 230. Однако движение запорного элемента 230 вверх приводит к тому, что регулятор усилия пружины 233, подвижный разъем 187 и дозирующая игла 186 образца саморегулирующегося усилительного клапана 180 перемещаются вверх для того, чтобы автоматически ограничить расход текучей среды через отверстие усилителя 184. Автоматическое ограничение расхода текучей среды через седло клапана корпуса усилителя 184 увеличивает усиление системы с текучей средой 200 во время увеличенного или повышенного потребления текучей среды далее по течению.
Образец саморегулирующегося усилительного клапана 180 и образец регулирующего клапана 220 дают возможность системе с текучей средой 200 достичь низкого значения пилотного усиления, если имеется требование низкого расхода текучей среды в расположенной далее по течению части системы, и увеличенного пилотного усиления - в условиях требования низкого расхода текучей среды. Таким образом, применение образца регулирующего клапана 220 и образца саморегулирующегося усилительного клапана 180 способствует стабильности и точности работы системы с текучей средой в условиях повышенного расхода текучей среды. Кроме того, отпадает необходимость присутствия техника для регулирования системы с текучей средой 200 при работе либо в условиях низкого расхода текучей среды, либо в условиях циклически изменяющегося потребления.
Обращаясь по-прежнему к фиг.2, отметим, что образец саморегулирующегося усилительного клапана 180 может содержаться или размещаться либо в образце регулирующего клапана 220, либо в пилотном клапане 160. На фиг.2 корпус 221 включает в себя расширение 221А, контур которого показан пунктирной линией, позволяющее поместить образец саморегулирующегося усилительного клапана 180 в корпусе 221 образца регулирующего клапана 220. В альтернативном варианте корпус 161 может включать в себя расширение 161А, контур которого показан штрихпунктирной линией, позволяющее поместить образец саморегулирующегося усилительного клапана 180 в корпусе 161 пилотного клапана 160. Кроме того, как весь соединительный участок 146, так и его часть может располагаться либо в расширении 221А регулирующего клапана 220, либо в расширении 161А пилотного клапана 160.
Хотя здесь описаны некоторые образцы исполнения устройств и способов, объем настоящего изобретения не ограничивается только этими примерами. Напротив, данное изобретение охватывает все способы, устройства и изделия, должным образом попадающие в сферу действия нижеследующей формулы изобретения или ее эквивалентов.