СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОДОРИЗАЦИИ ГАЗА
AUTOMATIC GAS ODORISING SYSTEM

Изобретение относится к области управления или регулирования соотношений компонентов в смесях, а именно в нескольких потоках текучих сред с использованием электрических средств, и может быть использовано в качестве автоматического дозирующего устройства в системе одоризации природного газа.
Известен электроимпульсный насос, который можно применить для впрыска одоранта в газовую магистраль (см. авт. св-во SU 781399, МПК F04F 1/16). Электроимпульсный насос содержит рабочую камеру с подводами рабочей жидкости в виде тангенциальных каналов, параболическим отражателем и соплом, на выходе сопла установлен датчик давления. В камере размещены электроды, подключенные к источнику питания, оси электродов расположены в плоскости, проходящей через фокус отражателя. При включении питания электродов в фокусе отражателя возникает быстро расширяющийся плазменный пузырь, создающий сферическую ударную волну. Ударная волна, включая часть, отразившуюся от отражателя, увлекает за собой жидкость, находящуюся в полости рабочей камеры насоса к выходу из сопла.
Однако известное устройство обладает узким диапазоном изменения объема впрыскиваемой за один цикл жидкости, следовательно, обладает низкой точностью дозирования.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является одоризатор газа фирмы «Саратовгазприборавтоматика» патент (см. патент на изобретение RU 2247332, G01F 13/00, G05D 11/02), состоящий из основной и контрольной емкостей с одорантом, дозирующего устройства в виде электромагнитного пульсатора с обратным клапаном и дозатора сифонного типа, расходомерного и вычислительного устройств. Кроме того, в дозаторе имеются вентили, делитель дозы, смотровое стекло и резервный канал подачи одоранта.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, малая производительность, низкая точность дозирования.
Целью настоящего изобретения является создание системы одоризации с широким диапазоном изменения дозировки и рабочих давлений одоранта.
Технический результат заключается в повышении быстродействия корректировки дозы и, следовательно, точности поддержания концентрации одоранта в природном газе при эксплуатации снижение расхода одоранта и повышение безопасности.
Указанный технический результат достигается тем, что система одоризации газа, содержащая основную и контрольную емкости с одорантом, дозирующее устройство, соединенный с источником электропитания блок управления с подключенным к нему расходомером магистрального газопровода, согласно решению дозирующее устройство представляет собой рабочую камеру, в которой размещены, по крайней мере, три высоковольтных электрода с регулируемым зазором, один из которых заземлен, а остальные подключены к блоку управления, впускной клапан, соединенный с основной емкостью, выпускной клапан, соединенный с магистральным газопроводом, система одоризации содержит подключенные к блоку управления датчик давления внутри рабочей камеры, датчик давления в магистральном газопроводе перед расходомером по направлению движения газа. В качестве источника электропитания использован источник высоковольтного импульсного напряжения или резервный источник постоянного высоковольтного напряжения. Система содержит по крайней мере одно дополнительное дозирующее устройство. Дозирующее устройство содержит управляющий высоковольтный электрод, расположенный между высоковольтными электродами и выпускным клапаном и представляющий собой плоскую или профилированную сетку. Выпускной клапан снабжен электромагнитным приводом и подключен к блоку управления.
Анализ найденных в результате поиска патентных, информационных и каталожных материалов по системам одоризации газа позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство неизвестно из уровня техники.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид системы одоризации газа, на фиг.2 - высоковольтная управляющая сетка, на фиг.3 - конструкция выпускного клапана с электромагнитным приводом.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - основная емкость;
2 - резервная емкость;
3 - дозирующее устройство;
4, 5 - датчик давления;
6 - расходомер;
7 - впускной вентиль;
8 - блок управления;
9 - резервный канал;
10 - источник высоковольтного напряжения;
11 - впускной клапан;
12 - выпускной клапан;
13 - магистральный газопровод;
14 - рабочая камера;
15, 16 - высоковольтный электрод;
17 - резервный вентиль;
18 - управляющий высоковольтный электрод;
19 - заземляющий электрод;
20 - смотровое окно;
21 - пружина электромагнитного клапана;
22 - корпус электромагнитного клапана;
23 - обмотка электромагнита;
24 - коническое отверстие;
25 - магнитный зазор;
26 - ферромагнитная пластина;
27 - отверстие в пластине;
28 - впрыскивающее сопло;
29 - отверстие сопла;
30 - диэлектрическая пластина.
Система одоризации газа содержит основную 1 и контрольную 2 емкости с одорантом, а также дозирующее устройство 3, представляющее собой тарированную рабочую камеру 14 электрогидродинамического (ЭГД) насоса. Рабочая камера снабжена впускным клапаном 11, вход которого подсоединен при помощи трубопровода, снабженного впускным вентилем 7, к основной емкости с одорантом, а также выпускным электромагнитным клапаном 12, электромагнитный привод которого подключен к блоку управления 8, выход которого соединен с магистральным газопроводом. В полости рабочей камеры установлено, по крайней мере, три высоковольтных электрода с регулируемым зазором, один из которых 19 заземлен, а остальные подключены к блоку управления 8, снабженному вычислительным устройством для обеспечения своевременной подачи на электроды высокого напряжения. Возможно выполнение рабочей камеры, имеющей, помимо заземляющего электрода 19, две пары высоковольтных электродов, расположенных в одной плоскости, причем электроды 15 расположены друг напротив друга с меньшим зазором, электроды 16 - с большим. Возможен вариант дозирующего устройства для высокого давления и больших расходов газа, содержащий управляющий высоковольтный электрод 18, расположенный между высоковольтными электродами 15, 16, 19 и выпускным клапаном 12 и представляющий собой плоскую или профилированную сетку. Система одоризации газа снабжена резервным каналом 9 с резервным вентилем 17, соединяющим основную емкость 1 с магистральным газопроводом 13 и содержащим смотровое окно 20, а также расходомером 6, установленным в магистральном газопроводе до выпускного клапана 12 и подключенным к блоку управления 8. Система одоризации содержит подключенные к блоку управления датчик 4 для измерения давления внутри рабочей камеры и датчик 5 для измерения давления в магистральном газопроводе перед расходомером по направлению движения газа. Блок управления 8 подключен к источнику высоковольтного импульсного напряжения 10 или резервному источнику постоянного высоковольтного напряжения. Возможно выполнение системы одоризации с одной или несколькими дополнительными дозирующими устройствами, аналогичными первому.
Использование в заявляемом одоризаторе газа электрогидродинамического (ЭГД) насоса в качестве дозирующего устройства позволяет расширить диапазон объема впрыскиваемого одоранта в пределах от 10 г до 30 г и более, а также увеличить максимальное давление одоранта на выходе из дозирующего устройства с 0,01 до 16 МПа. Данная конструкции системы одоризации газа вызвана соблюдением ГОСТ 55-42-87 нормы концентрации одоранта 16-32 мг/м в магистральном газопроводе, что часто трудновыполнимо. Известно, что плотность одоранта величина непостоянная - из-за больших значений коэффициента объемного расширения с изменениями температуры возникает значительный разброс показателей, что приводит к понижению точности дозирования. Предложенная конструкция отличается простотой и надежностью, при этом обладает высоким быстродействием и точностью дозирования одоранта, обусловленным звуковыми скоростями создания давления одоранта и соизмеримой скоростью быстродействия электромагнитного клапана, а также минимальной протяженности линии ввода одоранта в газопровод. Опытный образец при испытании системы одоризации на ограниченном участке газопровода подтвердил работоспособность предложенной конструкции с указанными целями.
Дозирующее устройство с множественностью высоковольтных электродов можно отнести к основным элементам предлагаемой конструкции. Подобным дозирующим устройством по совокупности признаков является электроимпульсный насос-форсунка (патент РФ №2156891). Дозирующее устройство с множеством электродных пар заявляемого устройства представляет собой тарированную рабочую камеру, в которой размещены в одной плоскости, по меньшей мере, две пары высоковольтных электродов с регулируемым межэлектродным зазором, причем первые два - с минимальным регулируемым зазором, расположены в фокусе днища, служащего отражателем, а два других электрода - с большим регулируемым зазором, установлены в одной или разных плоскостях перпендикулярно им. Внутри рабочей камеры также расположен управляющий высоковольтный электрод, который установлен параллельно под первыми двумя парами па расстоянии, удовлетворяющем требованию H=(0,5-1)R, где R - радиус отражателя, и выполнен сетчатым для снижения гидросопротивления перемещению одоранта в виде плоского или вогнутого/выпуклого сегмента окружности с радиусом, равным или большим радиусу отражателя, при этом его диаметр равен внутреннему диаметру рабочей камеры, что позволяет создать широкий спектр давлений в рабочей камере при различном сочетании работы электродных пар. При подаче на управляющий электрод высоковольтного напряжения, большего или равного по величине значению напряжения, подаваемого на остальные электроды, процесс создания высокого давления ускоряется; и наоборот - замедляется при подаче на управляющий электрод меньшего по величине высоковольтного напряжения. При этом меньший радиус концентрической окружности сетки соответствует расположению концов первой пары высоковольтных электродов, а больший - второй пары. В заявляемом устройстве может быть применен выходной быстродействующий электромагнитный клапан известной конструкции, например по патенту РФ №2367832 или подобного типа, пригодный для использования в целях впрыска мерной дозы одоранта в магистраль газопровода. В основу получения высоких давлений в рабочей камере положен принцип использования импульсного электроискрового разряда внутри объема жидкости.
Полный цикл работы дозирующего устройства следующий. После заполнения одорантом тарированной рабочей камеры по команде из блока управления происходит электроимпульсный разряд на одной из пар высоковольтных электродов, приводящий к образованию ударной волны с резким скачком давления и четко выраженным градиентом потока одоранта от отражателя вдоль оси симметрии камеры. Сигнал сравнения информации о давлениях в рабочей камере и магистральном газопроводе, поступающей с датчиков давления, через блок управления с задержкой направляется на вторую пору высоковольтных электродов для создания дополнительного давления, позволяющего мгновенно через выпускной электромагнитный клапан с частотой срабатывания до 150 Гц при скважности 2 и более впрыснуть дозу одоранта в газовый поток, причем процесс создания высокого давления управляем. Кроме того, в результате электрогидродинамического удара во время парогазовой фазы происходит выделение тепла, достаточного для испарения мелкодисперсных капель воды, обычно присутствующих в качестве примесей в одоранте, что приводит к поддержанию температуры одоранта в рабочей камере в заданных пределах. При этом не требуется тонкий фильтр, применяемый в других системах одоризации для очистки от примесей. В образовавшуюся разряженную полость рабочей камеры через впускной клапан поступает следующая порция одоранта. Далее процесс повторяется. Датчик давления обеспечивает цикличность работы дозирующего устройства путем измерения давления в рабочей камере и выдает сигнал блоку управления в момент истечения дозы одоранта. Регулирование выходного давления одоранта осуществляется путем изменения частоты и амплитуды высоковольтных импульсов раздельно для каждой пары и управляющего электродов. Выпускной электромагнитный клапан находится в закрытом состоянии и открывается по команде с блока управления, а после окончания управляющего импульса возвращается в исходное состояние с помощью возвратной пружины, при этом подача одоранта в газовую магистраль прекращается, и тем самым предотвращается попадание природного газа из трубопровода. Конструкция электромагнитного клапана (далее ЭМК) поясняется фиг.3. Устройство содержит обмотку электромагнита 23, заключенную в магнитопровод 23 из ферромагнитного материала, в которой выполнен зазор 30, заполненный непроводящим материалом для устранения токов Фуко с коническим отверстием 24 в центре и магнитным зазором 25, ферромагнитную подвижную пластину 26 с отверстиями 27, поджимаемая пружиной 21 к неподвижной пластине 16 из немагнитного материала с выходными отверстиями 29. Работа ЭМК осуществляется следующим образом. В исходном состоянии пластина 26 со стороны отверстий 29 прижата пружиной 21 к пластине 26. Магнитный зазор 25 магнитопровода 22 при этом не перекрывается первой плоскостью пластины 26, а выходные отверстия 29 перекрыты второй плоскостью пластины 28 - ЭМК закрыт. При подаче на обмотку 23 ЭМК управляющего импульса из блока управления возникает электромагнитная сила, преодолевающая силу давления среды и притягивающая пластину 26 к магнитопроводу 23. При этом освобождаются отверстия 29, ЭМК открывается, и весь поток одоранта из рабочей камеры 14 дозирующего устройства 3 выталкивается в магистральный газопровод 13. Количество подаваемого за цикл одоранта может быть ограничено (например, при резком снижении расхода газа в магистрали) путем подачи управляющего сигнала на катушку электромагнитного клапана блоком управления. Блок управления формирует высоковольтные импульсы необходимой амплитуды и частоты для подачи на высоковольтные электроды а также низковольтные импульсы для работы электромагнитного клапана, датчиков давления расходного устройства, а также синхронизирует работу всех узлов системы по заданному алгоритму. Для увеличения ресурса работы дозирующего устройства предусмотрена регулировка в электродных парах и заземляющего электрода, что позволяет обеспечить требуемый зазор между ними. Для расчета параметров дозирующего устройства использовались следующие формулы (Электротехнический справочник, том 3, книга 2, -М. :Энергоатоиздат, 1988 г стр.230-238). Вольт-секундная характеристика искрового промежутка в однородном поле с учетом перегрева одоранта:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>I</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>t</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>200</mn><mo>+</mo><mn>345</mn><msup><mi>i</mi><mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Наибольшее расстояние между торцами электродов, при котором возможен тепловой пробой, м:
max
2
1
kp
2
I=2cps(T-T)/CE
Давление в канале разряда, м/с
-20
2/3
-19
-21
1/6
Рк=4,5×10(dn/dt)/4,3×10+3,9×10(dn/dt),
где:
пр
U - вольт-секундная характеристика зазоров в однородном поле;
I - расстояние между электродами;
0
G - удельная проводимость одоранта;
пр
t - продолжительность пробоя;
-5
τ=3×10 с - постоянная времени;
с, р - удельная теплоемкость одоранта;
S - площадь оголенной поверхности электрода, контактирующая с Од;
1
2
T, Т - начальная температура и температура парообразования одоранта;
С - емкость конденсатора блока высокого напряжения;
Екр - критическая напряженность эл. поля между электродами;
Рк - давление в канале разряда;
dn/dt - крутизна импульса мощности, отнесенная к еденице длины искрового промежутка между электродами Вт/с*м.
Система одоризации работает следующим образом. В исходном состоянии вентиль 17 закрыт, вентиль 7 открыт по принципу сообщающихся сосудов, одорант заполняет тарированную рабочую камеру 14 дозирующего устройства 3. При возникновении расхода газа в магистрали 13 расходное устройство 6 и датчик давления 5 передают сигнал в вычислительное устройство (не показано) блока управления 8, который направляет управляющий импульс нужной частоты и амплитуды на высоковольтные электроды 15-, 16-й пары (или их комбинации), а также управляющий высоковольтный электрод 18 с задержкой (только для высоких давлений и расходов), способные создать требуемое давление в рабочей камере, контролируемое датчиком давления 4 дозирующего устройства 3, при этом быстродействующий электромагнитный клапан, проходное сечение которого обеспечивает быстродействие, соизмеримое с периодом электрического разряда, открывается, и весь объем одоранта попадает в магистраль газопровода 13, образовавшееся в рабочей камере разряжение открывает впускной клапан 11, и рабочая камера наполняется очередной дозой одоранта. Далее процесс повторяется.
В случае отказа системы вентиль 7 закрывают, а вентиль 17 открывают на определенную величину, и одорант по резервному каналу попадает в магистраль газопровода 13. Возможны следующие исполнения систем одоризации. Вариант 1 для малых давлений газа с дозирующим устройством, у которого рабочая камера имеет объем до 10 г, и установлено два высоковольтных электрода. Вариант 2 для средних давлений газа с дозирующим устройством, у которого рабочая камера имеет объем до 35 г, и установлено две пары высоковольтных электродов. Вариант 3 для высоких давлений и расходов газа с дозирующим устройством, у которого рабочая камера имеет объем свыше 30 г, установлено две пары высоковольтных электродов и управляющий высоковольтный электрод, а дозирующих устройств два и более.
Таким образом, представленное в заявке решение для одоризации природного газа, по мнению автора, обладает существенной новизной конструкция устройства, позволяет повысить безопасность потребителей газа, обеспечить надежность в эксплуатации, является простой в изготовлении и обслуживании.