Широкопроходной регулятор давления
WIDE-FLOW PRESSURE REGULATOR

Изобретение относится к устройствам для регулирования давления газа в системах сбора, подготовки, транспорта и распределения.
Основной принцип, используемый в настоящий момент в промышленности для регулирования давления газа, заключается в локальном изменении проходного сечения потока. Теплофизический характер протекающих при этом процессов известен как эффект Джоуля-Томсона. Процесс характеризуется как адиабатический, изоэнтальпийный, необратимый со значительным повышением энтропии (И.Е. Идельчик, Справочник по гидравлическим сопротивлениям, «Машиностроение», Москва, 1992, с. 10-41). Для среды с уравнением состояния, близким к закону идеального, изменение давления газа не приводит к изменению температуры среды. Однако, для реальных газов температурный эффект явно выражается в виде ненулевого значения коэффициента пропорциональности между величиной изменения давления и температуры среды, так называемый коэффициент Джоуля-Томсона. Величина коэффициента в области температур значительно выше критической Ткр и давлений порядка или ниже критического Ркр составляет порядка 1 К/МПа, но быстро возрастает при понижении температуры до около-критической, достигая значений порядка 5-10 К/МПа. Если при понижении давления и температуры газовая композиция пересекает кривую гидратообразования, формируются условия для появления газогидратов в потоке и на элементах газораспределительной системы. Локальный характер понижения давления и температуры в сужении потока (штуцер, седло регулировочного клапана) приводит к непосредственному примыканию области интенсивного охлаждения после сужения и области высокого давления до сужения, что способствует формированию гидратных пробок.
Как следует из вышеприведенного источника информации, газодинамика диктует нелинейный, квадратичный ход перепада давления на устройстве при изменении потока и абсолютное ограничение по достижении критического расхода. Расчет при целевом перепаде давлений более 0,5 МПа приводит к характерным скоростям протекания через сужение более 100 м/с. Таким образом, характерное отношение номинальной площади сечения трубопровода к проходному сечению устройства дросселирования (штуцера) составляет величину более 10.
Для достижения линейной зависимости пропускной способности от перепада давления на подобных устройствах должны быть задействованы специальные механические схемы. Подобные схемы реализованы в регуляторах давления, применяемых в технологических схемах газораспределительных систем. К ним относятся устройства с распределенной геометрией последовательных сужений в проточном тракте среды, а также устройства с регулируемой переменной площадью сечения, работающие по принципу обратной связи.
Использование вихревого принципа движения для регулирования газовых потоков до сих пор не нашло широкого применения. Однако, хорошо известны Вихревые Трубки Ранка-Хилша (Georges Joseph Ranque, U.S. Patent no. 1,952,281, filed: December 6, 1932; issued: March 27, 1934; Rudolf Hilsch, "Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als ", Zeitschrift  Naturforschung, 1, c.208-214, 1946), основное функциональное предназначение которых заключается в делении входного потока флюида на холодный и горячий в процессе понижения давления и формирования скоростного вихревого движения (так называемый эффект температурного расслоения). Использование тепловой мощности холодного потока соответствует реализации холодильного цикла устройством без движущихся частей.
Из уровня техники известен вихревой регулятор давления (патент РФ №2486573, МПК G05D 16/00, опубликовано 27.06.2013 г), содержащий подводящий трубопровод, соединенный каналом через узел регулирования потока газа с устройством температурного разделения, представляющим собой гофрированную трубу, гофры которой изготовлены по винтовой линии, выполненную в виде усеченного конуса, и через диафрагму - с отводящим трубопроводом, соединенным с пилотным устройством. Причем положительная обратная связь обеспечивается по "горячему" контуру каналом между трубопроводом и цилиндром температурного разделения, который содержит крестовину с профилированными лопатками, плавно выпрямляющими поток газа, и устройство перепуска "горячего" газа после крестовины в центр "холодного" вихря на оси цилиндра. Узел регулирования входного потока содержит два и более круглых сопла, равномерно расположенных по окружности, с установленными в них кольцами с переменной жесткостью стенки, эллиптического поперечного сечения, выполненных из эластичного материала, изменяемого проходного сечения. На конце устройства температурного разделения установлена головка с ребрами, выполненными в виде винта, содержащая в стенках каналы перепуска "горячего" газа, соединенные с оребренными трубками, спирально расположенными в канале вокруг цилиндра температурного разделения для обеспечения выхода перепускаемой части "горячего" газа из спиральных трубок через отверстия в корпусе регулятора в газовый эжектор, выходом соединенный с отводящим трубопроводом. Головка жестко закреплена со штоком, который, перемещаясь вдоль оси цилиндра температурного разделения, позволяет менять тем самым его длину. Узел регулирования выходного потока представляет собой эластичную трубу, установленную на выходе из цилиндра температурного разделения в тракте отводящего трубопровода и находящуюся под регулируемым давлением, что позволяет изменять проходное сечение диафрагмы.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и технической реализации.
Задачей изобретения является упрощение конструкции вихревого регулятора давления газа.
Техническим результатом изобретения является достижение квазилинейной зависимости перепада давления от расхода газа, снижение рисков гидратообразования.
Поставленная задача решается и технический результат достигается вихревым регулятором давления, содержащим внутритрубный спиралевидный элемент, расположенный вдоль оси трубопровода и закрепленный определенным образом во вставленном в трубопровод сегменте, причем количество витков и шаг витка спиралевидного элемента зависит от целевой линейной характеристики изменения перепада давления в зависимости от массового расхода через сегмент трубопровода и определяется целевым проектным технологическим режимом, а величина его проходного сечения составляет не менее 40% площади сечения трубопровода.
Согласно изобретению спиралевидный элемент может быть закреплен в сегменте трубопровода в зависимости от материального исполнения при помощи втулки, манжеты или путем самоякорения.
вр
вс
0
Подбор шага витка и количества витков осуществляется в зависимости от решаемой задачи регулирования потока. При этом используется зависимость перепада давления на вихревом регуляторе от массового расхода, в динамическом диапазоне : , где δР - перепад давления на вихревом регуляторе [МПа], К - коэффициент вихревого сопротивления регулятора в данной геометрии [МПа*с/кг],  - массовый расход среды [кг/с], δP - смещение. Характерный интервал значений коэффициента вихревого сопротивления [0,1;5] [МПа* с/кг]. При прочих равных параметрах, вихревое сопротивление растет с увеличением количества витков.
Расчетные характеристики вихревого регулятора давления для двух конкретных примеров приведены на изображении Фиг. 1. В качестве расчетной среды использован газ метан. В одном примере проходной диаметр трубопровода Dy=63 мм, спиралевидный элемент имеет 3 витка с шагом 25 мм. В другом примере Dy=90 мм, спиралевидный элемент имеет 9 витков с шагом 26 мм. В обоих случаях расчетные зависимости перепада давления от массового расхода потока имеют линейный характер.
Согласно изобретению эффективная величина проходного сечения спиралевидного профиля составляет порядка 50% площади сечения вмещающего трубопровода, что и дает возможность классифицировать данное устройство как «широкопроходное».
На чертеже фиг. 2 представлена принципиальная схема вихревого регулятора давления.
Вихревой регулятор давления содержит спиралевидный элемент 1, который закреплен на втулке 2 посредством элементов крепления 3. Втулка установлена в сегменте 4, которая посредством присоединительных фланцев 5 вставляется в трубопровод (не показан).
Устройство работает следующим образом.
Поток газа или среды со значительным содержанием газа поступает по трубопроводу на вход вихревого регулятора давления и, проходя через спиралевидный элемент, приобретает значительную скорость кручения, которая растет от оси к периферийной области потока. Снижение статического давления за счет ускорения еще более усиливает эффект закрутки потока. Общим эффектом является выходной поток со скоростью кручения на периферии, в несколько раз превышающей среднюю осевую скорость по сечению потока. Данный характер кручения потока сохраняется на всем начальном участке, длиной 3-5 Dy, непосредственно примыкающем к выходному витку спиралевидного элемента (В.К. Щукин, А.А. Халатов, «Теплообменом, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах, «Машиностроение», Москва, 1982, стр. 31-32). Далее кручение потока замедляется вследствие естественных причин вязкостного и турбулентного трения в потоке и по достижении длин порядка 100-200 Dy практически полностью вырождается в стандартный профиль осевого турбулентного течения.
Эффектом размещения в теле трубопровода широкопроходного регулятора давления является снижение давления, пропорциональное массовому расходу, происходящее в результате ускорения при прохождении спиралевидного элемента и последующего торможения. Также происходит снижение температуры среды, в соответствии с квази-изоэнтальпийным характером протекающих процессов. Отличие от схемы штуцирования заключается в том, что отсутствует явно выраженное сужение потока, и процессы понижения давления и температуры распределены вдоль тела трубопровода на длинах порядка 5-10 Dy, включая длину самого регулятора. Данная особенность значительно снижает риски блокирования трубопровода вследствие появления газогидратов в потоке среды.
Таким образом, широкопроходной регулятор давления на основе вихревого принципа движения потока по простоте конструктивной схемы сопоставим с устройствами на основе принципа штуцирования потока, но в то же время обладает существенными особенностями, позволяющими позиционировать его, как новый класс устройств управления потоком сред со значительным содержание газа.