Регулятор давления газа
GAS PRESSURE REGULATOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к устройствам для регулирования и поддержания давления газа - газовым регуляторам, газовым редукторам. Изобретение может быть использовано для понижения и поддержания постоянного давления газа в промышленности, энергетике, медицине, и др. областях.
В настоящее время известны и широко распространены устройства для регулирования и поддержания давления газа, которые представляют собой простейший дифференциальный регулятор, с чувствительным элементом - мембраной. Одним из важнейших параметров для подобных устройств является ошибка регулирования, которая определяется изменением выходного давления при изменении входного давления, чем меньше изменяется выходное давление и чем шире диапазон допустимых входных давлений, тем лучше регулятор. Применительно к регуляторам давления газа, ошибку регулирования (отклонение выходного давления от заданного) принято, измерять в процентах и называть «неравномерностью». Основным недостатком обычных регуляторов является сильная зависимость качества регулирования от отношения размеров мембраны и клапана. Следствием этого является необходимость увеличивать размер мембраны и как следствие всего регулятора при увеличении размера клапана. Увеличение размера приводит к увеличению веса деталей и усложнению их изготовления, что так же ухудшает характеристики регулятора за счет увеличения сил инерции, сил трения и других.
Одним из распространенных способов преодоления указанного недостатка является применение редукторов с разгруженным клапаном, в таких регуляторах клапан снабжен уплотнением на направляющей поверхности и на часть его площади не воздействует входное давление, см., например, патент RU2528220C2, конвенционный приоритет: 02.07.2009 US 12/496,868, описывающий клапан регулирования давления, содержащий: корпус клапана, имеющий вход и выход для текучей среды; уравновешенный вставной клапан, расположенный в корпусе клапана между входом и выходом для текучей среды и содержащий: фиксатор, имеющий центральный канал, включающий первый и второй концы, внутреннюю поверхность и, по меньшей мере, одно отверстие во внутренней поверхности, формирующее вход для текучей среды; седло клапана, расположенное в центральном канале возле первого конца центрального канала; подвижный стержень клапана, по меньшей мере, частично расположенный в центральном канале, при этом подвижный стержень клапана выборочно открывает и закрывает первый конец центрального канала за счет скользящего перемещения внутри него и взаимодействия с седлом клапана и имеет полую центральную часть; фильтр, расположенный между внутренней поверхностью центрального канала и стержнем клапана; и торцевую заглушку, расположенную на втором конце центрального канала, закрывающую второй конец центрального канала, содержащую глухой канал, направленный к стержню клапана и принимающий один конец стержня клапана таким образом, что в глухой канал поступает текучая среда со стороны за седлом клапана через полую центральную часть стержня клапана; при этом торцевая заглушка закрывает второй конец центрального канала и включает фильтр для седла клапана, закрепляя фильтр в центральном канале и удерживая фильтр и стержень клапана между торцевой заглушкой и фиксатором, а также уплотняя седло клапана по отношению к фиксатору.
Применение такой конструкции с точки зрения распределения сил в регуляторе эквивалентно уменьшению площади клапана. Однако такое решение имеет существенное ограничение, связанное с ухудшением характеристик при охлаждении, так как уплотнительное кольцо теряет эластичность и как следствие увеличивается трение, в предельных случаях силы от давления газа и силы создаваемой пружиной становится недостаточно для перемещения клапана и регулятор перестает работать. Основной причиной охлаждения является газ, проходящий через редуктор, который охлаждается при расширении, и контактируя с деталями редуктора охлаждает их. Так как расширение газа происходит в зазоре между клапаном и корпусом, клапан является одной из самых переохлажденных деталей и расположенное в нем уплотнение быстро замерзает. Так как температура газа зависит от степени расширения, это ограничение привело к тому что данная схема применяется только в редукторах с небольшим коэффициентом редуцирования (как правило до 5). Так же к недостатку этой схемы можно отнести то, что при замерзании клапана и выходе регулятора из строя силы возникающие от повышения давления газа за регулятором не способствуют закрытию клапана, и аварийное состояние сохраняется.
Один из способов устранения описанных выше недостатков представлен в патенте RU2290682C1 от 18.07.2005 который описывает газовый редуктор, содержащий корпус с седлом и крышкой, смонтированные в корпусе настроечную часть, включающую настроечный винт с пружиной, мембрану с толкателем и редуцирующий клапан, включающий полый корпус со сквозным каналом, уплотнением и пружиной, уравновешивающую камеру, сообщенную с полостью рабочего давления корпуса при помощи указанного сквозного канала, отличающийся тем, что уравновешивающая камера образована в корпусе, а редуцирующий клапан установлен в камере с кольцевым зазором относительно ее стенки, при этом камера снабжена управляющим клапаном, в качестве пружины которого использована пружина редуцирующего клапана.
Указанный редуктор содержит фактически два клапана управляющий и редуцирующий, которые включены параллельно, управляющий клапан имеет малый размер и открывается при небольшом расходе газа, при увеличении расхода газа открывается редуцирующий клапана. Такая схема позволяет частично решить задачу улучшения характеристик редуктора, так как в предложенной схеме силы, воздействующие на редуцирующий клапан, изменяются сильнее чем в схеме с разгруженным клапаном, но значительно слабее чем в обычном регуляторе, и, частично, решить проблему замерзания клапана, так как в указанной схеме отсутствует резиновое уплотнение склонное к замерзанию (указанное в схеме фторопластовое кольцо выполняет функцию направляющей, а не уплотнения и работоспособно при значительно более низких температурах), но в то же время при возникновении аварийной ситуации и замерзании клапана силы возникающие от повышения давления газа за регулятором не способствуют закрытию клапана, и аварийное состояние сохраняется. Так же существенным недостатком указанной схемы является то что редуцирующий клапан в рабочем (открытом) положении не имеет связи с пружиной, так как управляющий клапан тоже должен быть открыт для поддержания необходимого давления в уравновешивающей камере, что повышает его склонность к колебаниям, например, при наличии вибраций от другого оборудования, а также существенно расширяет диапазон автоколебательных режимов редуктора.
Один из способов устранения описанных выше недостатков представлен в патенте EP2708970B1 от 14.09.2012, который описывает регулятор давления, содержащий корпус, в котором расположено входное отверстие для газа, имеющего входное давление, выпускное отверстие для газа, и проход, соединяющий выход с входом, поршень регулятора, расположенный в корпусе, для регулирования давления газа на выходе, перемещаясь ближе и дальше от седла регулятора давления, регулирующий упругий элемент (пружина), предназначенный для смещения регулирующего поршня в направлении от седла регулятора давления против силы газа на выходе давления, действующего на поршень регулятора в направлении к седлу регулятора давления, характеризуется тем, что проход так же подает газ на плавающий поршень, при этом плавающий поршень выполнен с возможностью перемещения в ответ на повышенное давление на входе за счет сжатия стабилизирующего упругого элемента (пружины), так что увеличение силы газа под давлением на входе действию на плавающий поршень соответствует увеличение силы стабилизирующего упругого элемента, действующего на плавающий поршень, при этом стабилизирующий упругий элемент соединен с регулирующим упругим элементом через соединительный элемент, расположенный таким образом, что сжатие стабилизирующего упругого элемента приводит к снижению давления регулирующего упругого элемента.
Применение подобной конструкции позволяет полностью исключить ошибку регулирования и превращает регулятор в дифференциально-интегральный. Но, в то же время, указанная конструкция обладает существенными недостатками. В конструкции применена прямая схема редуцирования, отличающаяся тем что давление газа, входящего в регулятор, открывает клапан, что ограничивает максимальный диаметр клапана, так как сила необходимая для его закрывания становится недопустимо большой. Такая схема позволяет создавать редуктора только с небольшим расходом газа или небольшим входным давлением. Так же подобная конструкция имеет все указанные выше недостатки, связанные с замерзанием. Так же подобная конструкция крайне опасна в аварийных ситуациях, так как силы, возникающие от давления газа, открывают клапан.
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются: улучшение характеристик регулятора, в частности устранение статической ошибки регулирования, с сохранением возможности обеспечивать высокие расходы газа и высокий коэффициент редуцирования, повышение отказоустойчивости при переохлаждении деталей регулятора, повышение безопасности в аварийных ситуациях.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается путем создания регулятора давления газа, включающего в себя корпус с газовым каналом высокого (входного) давления, в котором расположен редуцирующий клапан с толкателем, и газовым каналом низкого (выходного) давления, чувствительный элемент, корпус поршня-компенсатора, с газовым каналом высокого (входного) давления, в котором расположен поршень-компенсатор и задающее устройство, при этом клапан и поршень-компенсатор расположены на одной оси, по оппозитной схеме.
Добавление в конструкцию регулятора корпуса поршня-компенсатора, с газовым каналом высокого (входного) давления и поршня-компенсатора, установленного на одной оси с клапаном, по оппозитной схеме, позволяет устранить статическую ошибку регулирования за счет того, что сила, возникающая от высокого (входного) давления, и воздействующая на клапан скомпенсирована силой, возникающей от высокого (входного) давления, и воздействующей на поршень-компенсатор, таким образом, изменение этих сил, возникающее в следствие изменения входного давления не приводит к нарушению равновесия и изменению настроек регулятора.
Добавление в конструкцию регулятора корпуса поршня-компенсатора, с газовым каналом высокого (входного) давления и поршня-компенсатора, установленного на одной оси с клапаном, по оппозитной схеме, так же позволяет повысить отказоустойчивость регулятора при переохлаждении, так как поршень компенсатор находится в тупиковом газовом канале и не охлаждается потоком расширяющегося газа.
Добавление в конструкцию регулятора корпуса поршня-компенсатора, с газовым каналом высокого (входного) давления и поршня-компенсатора, установленного на одной оси с клапаном, по оппозитной схеме, так же позволяет повысить безопасность регулятора так как, такая схема, в случае заклинивания клапана и повышения давления в газовом канале низкого давления выше расчетного, обеспечивает размыкание связи между клапаном и поршнем компенсатором, за счет того что повышенное давление воздействует на всю площадь мембраны и отжимает поршень-компенсатор, что приводит к резкому увеличению силы действующей на клапан и его закрытию.
Предложенная схема регулятора давления газа, включающего в себя корпус с газовым каналом высокого (входного) давления, в котором расположен редуцирующий клапан с толкателем, и газовым каналом низкого (выходного) давления, чувствительный элемент, корпус поршня-компенсатора, с газовым каналом высокого (входного) давления, в котором расположен поршень-компенсатор и задающее устройство, при этом клапан и поршень-компенсатор расположены на одной оси, по оппозитной схеме, не накладывает ограничений на размеры клапана, так как сила, возникающая от высокого (входного) давления, и воздействующая на клапан скомпенсирована силой, возникающей от высокого (входного) давления, и воздействующей на поршень-компенсатор следовательно увеличение размеров не приводит к увеличению неуравновешенных сил, что позволяет использовать регулятор для больших расходов газа и больших коэффициентов редуцирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
Фиг. 1 - регулятор давления газа
Регулятор давления газа (Фиг. 1) состоит из корпуса (1) с газовым каналом высокого (входного) давления (2) и газовым каналом низкого (выходного) давления (3), в котором расположен редуцирующий клапан (4) с толкателем (5), чувствительного элемента (6), корпуса поршня-компенсатора (7) с газовым каналом высокого (входного) давления (8) в котором расположен поршень-компенсатор (9) и задающего устройства (10).
Регулятор давления газа (Фиг. 1) работает следующим образом: в газовый канал высокого давления (2) подается сжатый газ, источником газа может служить баллон, рампа баллонов, емкость со сжиженным газом и т.п. При отсутствии воздействия на задающее устройство (10) редуцирующий клапан (4) герметично закрыт. Клапан (4) может закрываться усилием, которое создается пружиной, установленной под клапаном или усилием, которое возникает от давления газа, при отсутствии пружины, или их суммой. Для начала работы регулятора и получения пониженного давления в газовом канале низкого давления (3), с помощью задающего устройства (10) создают усилие которое передается на чувствительный элемент (6) и далее через толкатель (5) на клапан (4) после того как усилие от задающего устройства (10) превысит усилие, от пружины и(или) давления газа, закрывающее клапан, клапан открывается. Задающее устройство (10) может быть выполнено в виде пружины которая зажимается винтом, а также может быть пневматическим или гидравлическим. Чувствительный элемент (6) может быть выполнен в виде мембраны из мягкого материала, например, резино-тканевой мембраны, металлической мембраны или поршня. После открытия клапана, газ из канала 2 начинает поступать в канал 3, давление в канале 3 повышается и создает усилие, действующее на чувствительный элемент (6) в противоположном направлении, по отношению к усилию задающего устройства (10). При достижении необходимого давления в канале (3) усилие, возникающее на чувствительном элементе (6) от давления газа, уравновешивает усилие задающего устройства (10) и клапан (4) закрывается. При начале отбора газа из канала (3) потребителем давление падает, усилие от давления на чувствительном элементе (6) уменьшается и клапан (4) открывается на которую величину, образуя зазор, через который газ из канала (2) поступает в канал (3) в количестве достаточном для поддержания давления газа в канале (3). Таким образом система находится в равновесии, на нее действуют силы, закрывающие клапан (пружины и давления газа), сила, создающаяся задающим устройством и сила, возникающая от давления газа на чувствительный элемент. При изменении настроек задающего устройства повышается или уменьшается давление в канале (3). При изменении расхода газа давление в канале 3 повышается или понижается, система на короткий срок выходит из равновесия, изменяется зазор, через который газ поступает из канала (2) в канал (3) и за счет этого давление восстанавливается, и система снова возвращается в равновесие, при этом возникает некоторая ошибка, связанная с жесткостью пружин, и давление, в новой точке равновесия, незначительно отличается от установленного.
При изменении давления газа на входе в регулятор, подающегося в канал (2), происходящего, например, из-за опустошения емкости с газом, изменяется сила закрывающая клапан (4), возникающая от давления газа, что приводит к смещению равновесия и изменению давления на выходе, в канале (3), при больших размерах клапана (4), сила, возникающая от давления газа существенна и ее изменение, приводит к значительному смещению равновесия и изменению давления газа на выходе. Для устранения этого эффекта предложенный регулятор снабжен поршнем-компенсатором (9) на который через канал (8) подается тоже давление что и на клапан (4) через канал (2). Так как клапан (4) и поршень-компенсатор (9) расположены на одной оси, оппозитно друг другу силы, возникающие от давления газа на них взаимно скомпенсированы, при изменении давления газа на входе в регулятор эти силы изменяются одновременно и на одинаковую величину, не выводя регулятор из состояния равновесия, что устраняет ошибку регулирования, возникающую от изменения входного давления газа.
При использовании регуляторов наиболее частой аварийной ситуацией является заклинивание клапана, в результате чего давление в канале (3) существенно повышается, вплоть до выравнивания с давлением в канале (2). К заклиниванию клапана может приводить его замерзание, из-за охлаждения потоком расширяющегося газа, в частности при расширении, из газа может сконденсироваться вода, и после попав на холодный клапан замерзнуть, так же клапан может заклинить из-за механических загрязнений и твердых частиц и по другим причинам. Предложенный регулятор отличается повышенным уровнем безопасности, по сравнению с описанными аналогами, и имеет возможность к самоустранению подобных аварийных ситуаций, это связано с тем что при нормальной работе регулятора сила возникающая на клапане от давления газа скомпенсирована поршнем-компенсатором, но при возникновении аварийной ситуации, давление в канале (3) возрастает, усилие на чувствительном элементе увеличивается и за счет этого размыкается связь между клапаном и поршнем-компенсатором, что приводит к резкому увеличению силы действующей на клапан, которой, как правило достаточно для того что бы переместить его. В результате клапан закрывается, с некоторым превышением давления в канале (3).
Площадь поршня-компенсатора, на которую воздействует давление, может быть равна площади клапана, на которую воздействует давление, в таком случае силы равны и система полностью уравновешена, а клапан закрывается только усилием пружины. Так же, площадь поршня-компенсатора, на которую воздействует давление может быть меньше площади клапана, на которую воздействует давление, в таком случае система скомпенсирована не полностью и по своим характеристикам эквивалентна системе с клапаном меньшего размера, но позволяет обеспечить больший расход газа.
комп
кл
комп
кл
комп
кл
комп
кл
комп
кл
По результатам экспериментов установлено что площадь поршня-компенсатора целесообразно выбирать в зависимости от входного давления и способа уплотнения клапана. При низких входных давлениях, до 1…1,6 МПа, используется мягкий уплотнитель из резины, представляющий собой, например, резиновое кольцо круглого сечения, установленное в клапан или седло клапана, в таком случае усилия пружины достаточно для закрытия клапана и наиболее оптимальным будет равенство площадей или незначительное уменьшение площади компенсатора. Рациональный диапазон можно обозначить как S = 1…0,9S. При средних входных давлениях, от 1…1,6 до 10 МПа, используется уплотнитель из жесткой резины, в таком случае усилия пружины может не хватить для закрытия клапана, особенно при максимальном давлении и площадь компенсатора должна быть меньше площади клапана, рациональный диапазон можно обозначить как S = 0,9…0,8S. При высоком входном давлении в качестве уплотнителя используется фторопласт или другие твердые полимеры, в таком случае усилия пружины гарантированно не хватит для закрытия клапан и площадь компенсатора должна быть меньше площади клапана, рациональный диапазон можно обозначить как S = 0,8…0,5S. В некоторых случаях пружина клапана отсутствует в конструкции, в таком случае площадь компенсатора должна быть меньше площади клапана, рациональный диапазон можно обозначить как S = 0,8…0,5S. Дальнейшее уменьшение компенсатора, сильнее чем S = 0,5S, не рационально, так как эффект становится незначительным.
Таким образом, в заявленном устройстве, за счет того, что регулятор давления газа включает в себя корпус с газовым каналом высокого (входного) давления и газовым каналом низкого (выходного) давления, в котором расположен редуцирующий клапан с толкателем, чувствительный элемент, корпус поршня-компенсатора с газовым каналом высокого (входного) давления в котором расположен поршень-компенсатор и задающее устройство, и, при этом клапан и поршень-компенсатор расположены на одной оси, по оппозитной схеме, достигается улучшение характеристик регулятора, в частности устранение статической ошибки регулирования, с сохранением возможности обеспечивать высокие расходы газа и высокий коэффициент редуцирования, обеспечивается повышение отказоустойчивости при переохлаждении деталей регулятора, повышение безопасности в аварийных ситуациях и достигается заявленный технический результат.