РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ГАЗА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ
MULTIPURPOSE GAS PRESSURE CONTROL

Изобретение относится к устройствам для регулирования давления неагрессивных газов (природный газ, сжатый воздух, азот и другие) и может быть использовано как в газовой, так и в других областях промышленности.
Известны регуляторы давления газа (далее по тексту - регулятор), которые имеют эластичный затвор (см. В.Н.Плотников и др. Регуляторы давления газа. - Л.: Недра, 1982, стр.80, рис.36, стр.84, рис.38; Проспект фирмы «American meter company», ноябрь 1982; регуляторы РДО - фирмы «Газавтоматика 1998 год»).
Анализ подобных конструкций регуляторов выявил следующие системные недостатки. Перечисленные типы регуляторов с эластичным затвором способны открываться при разрыве диафрагмы затворов и мембран исполнительных устройств, вызываемых действиями внешних управляющих давлений на входе и выходе, из-за наличия в потоке газа посторонних частиц и капельной влаги, приводящих к абразивным воздействиям потока и кавитационным явлениям на поверхности диафрагмы и мембран в процессе дросселирования газа.
Предпринимались попытки данную проблему решать внесением изменений в конструкцию изделия. Фирмой ООО «Авиагаз-Союз+» представлен регулятор непрямого действия без эластичного затвора или мембраны и заявлен как отсекатель потока газа и ограничитель величины его расхода (см. патент RU 2252445, опубл. 27.01.2005).
Данная конструкция нетехнологична в изготовлении, имеет сложный механизм редуцирования, плохую ремонтоспособность, а значит низкую эксплуатационную надежность, поэтому не нашла широкого применения.
Известны конструкции производства завода «Саратовгазавтоматика», где возвратно-поступательное движение затвора обеспечивается червячным приводом и используется в зонах с повышенными перепадами давлений и в трубопроводах с эрозионно-активными рабочими средами и для газов с механическими примесями.
Однако технологические и конструкторские идеи, заложенные разработчиком, требуют значительных финансовых затрат, высокого уровня оснащенности производства и могут быть отнесены к изделиям специального назначения.
Использование регуляторов с эластичным затвором в составе газораспределительных станций предполагает наличие дополнительного оборудования. Самой надежной считается технологическая схема фирмы «Tartarini» с двумя последовательно расположенными регуляторами типа EL+ELF и механическим клапаном-отсекателем (справочник «Энциклопедия и техническое обслуживание газораспределительных станций магистральных газопроводов» Киев, Росток, 2005, стр.197, рис.34, 36).
В вышеприведенных устройствах отсутствует возможность информирования обслуживающего персонала как о работоспособности регулятора в процессе эксплуатации, так и состоянии других параметров.
Фирма Emercon (проспект Francel S.A. 2004 printed in France by Marcon Francel) использует многофункциональный миникомпьютер для подсчета и хранения данных серии Logti-Т600 и контролирует параметры: давление на входе и выходе, температуру.
Однако контроля такого количества параметров недостаточно для объективной оценки работоспособности регулятора. Отсутствует числовой показатель, подтверждающий оценку риска отказа регулятора в процессе эксплуатации. Кроме того, все существующие типы клапанов-отсекателей имеют ручной взвод и требуют в штате наличия обслуживающего персонала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является регулятор давления газа, содержащий исполнительное устройство с затвором, седлом, входной, выходной и управляющей камерами, дроссель, пилот с регулирующим клапаном, мембранным блоком и механизмом настройки, причем входная камера исполнительного устройства через дроссель соединена с управляющей камерой и пилотом, а пилот связан с выходной камерой исполнительного устройства. В устройстве между входной и управляющей камерами исполнительного устройства введен резервный канал с пневмоуправляемым запорным устройством нормально-закрытого типа, а в пилоте размещен аварийный клапан, взаимодействующий с пневмоуправляемым запорным устройством нормально-закрытого типа (см. патент РФ №2239862, МПК G05D 16/06). Наличие аварийного канала с запорным устройством нормально-закрытого типа отсекает регулятор при превышении установленных значений выходного давления, но не решает главную проблему - возможный разрыв диафрагмы затвора, что приводит к аварийным неконтролируемым ситуациям в эксплуатации. Считается, что несанкционированное повышение выходного давления в случае резкого снижения отбора газа потребителем не является отказом в работе регулятора и не требует аварийной его остановки.
Однако все случаи аварийной остановки регулятора приводят к отключению линии редуцирования газа и требуют привлечения обслуживающего персонала для последующего его запуска. Поэтому данная конфигурация регуляторов ограничена функционально и является затратной в эксплуатации.
Анализ известных источников, поиск патентных, информационных и каталожных материалов по регуляторам давления газа показал, что предлагаемая конфигурация изделия неизвестна из уровня техники и обладает новизной.
Задачей предлагаемого изобретения является создание регулятора давления газа, представляющего собой устройство со встроенным отсекателем автоматического действия избирательного типа для защиты газопровода потребителя от недопустимого повышения (понижения) давления газа и обеспечение гибкости приоритетов его использования, обеспечивающего постоянный мониторинг работоспособности в процессе всего срока службы в режиме реального времени.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей при повышении компактности и надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что регулятор давления газа, содержащий исполнительное устройство, снабженное затвором, выполненным из эластичного материала, седлом, входной, выходной, управляющей камерами; дроссель, задающее устройство с регулирующим клапаном, мембранным блоком и механизм настройки, при этом входная камера исполнительного устройства через дроссель соединена каналом с управляющей камерой, задающим устройством и выходной камерой, согласно решению содержит блок согласования, включающий камеру очистки газа от механических примесей и влаги, пневмоуправляемое запорно-регулирующее устройство нормально-открытого типа, при этом дроссель встроен в блок согласования между камерой очистки газа и запорно-регулирующим устройством, а камера очистки газа расположена со стороны входной камеры, задающее устройство соединено с запорно-регулирующим устройством и выходной камерой. Пневмоуправляемое запорно-регулирующее устройство нормально-открытого типа снабжено счетчиком количества аварийных закрытий исполнительного устройства в процессе эксплуатации. Исполнительное устройство содержит корпус, в котором последовательно расположены входная камера, седло, управляющая камера, выходная камера, при этом управляющая камера расположена на одной оси с входной камерой и образована внутренним пространством, ограниченным направляющей цилиндрической втулкой с крышкой, закрепленной в корпусе, к открытой торцевой поверхности которой прикреплен затвор, при этом в направляющей втулке расположен с возможностью осевого перемещения стакан, снабженный сферическим дном, поджатым к затвору при помощи пружины, расположенной между стаканом и направляющей втулкой. Исполнительное устройство содержит корпус, в котором последовательно расположены входная камера, управляющая камера, седло, выходная камера, при этом управляющая камера расположена на одной оси с выходной камерой и образована внутренним пространством, ограниченным направляющей цилиндрической втулкой с крышкой, закрепленной в корпусе, к открытой торцевой поверхности которой прикреплен затвор, при этом в направляющей втулке расположен с возможностью осевого перемещения стакан, снабженный сферическим дном, поджатым к затвору при помощи пружины, расположенной между стаканом и направляющей втулкой. Седло выполнено сменным и представляет собой капролоновое уплотнение, имеющее поперечное сечение Т-образной формы, снабженное закругленной кромкой со стороны затвора, зафиксированное в исполнительном устройстве при помощи кольцевого упора. Регулятор давления газа дополнительно снабжен устройствами для дистанционного управления параметрами регулятора и мониторинга его в процессе эксплуатации. Камера очистки газа представляет собой полую емкость, снабженную каналом для отвода конденсата и технологическим отверстием для обслуживания, в центре емкости расположен сменный картридж из пористого материала типа микрофибры, а полость вокруг сменного картриджа заполнена мелко ячеечной металлической сеткой. Выходная камера выполнена диаметром, равным или превышающим диаметр входной камеры.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид регулятора давления газа, на фиг.2 - исполнительное устройство, на фиг.3 и 4 - варианты выполнения управляющей камеры.
Регулятор давления газа содержит исполнительное устройство 1, блок согласования 14, задающее устройство 23, мембрану затвора 5, а также каналы: входной - соединяющий исполнительное устройство 1 и блок согласования 14, технологический канал 26, соединяющий блок согласования 14 и камеру управления 7, канал управления 21, соединяющий блок согласования 14 и задающее устройство 23 с выходной камерой 28 соответственно, а также сбросной канал 24, соединяющий задающее устройство 23 с выходной камерой 28 исполнительного устройства 1. Задающее устройство 23 соединено с выходной камерой 28 каналом обратной связи 27. Предлагаемая конструкция регулятора может комплектоваться электронным обеспечением (датчик вибрации корпуса, электронный счетчик 34 числа аварийных закрытий и суммарного времени работы, встроенный в запорно-регулирующее устройство 19, вычислитель с первичным преобразователем 35, датчики входного и выходного давления и температуры 36, либо регистратор типа РИ-1 или Logti-Т600 с встроенным преобразователем 35 и датчиками 36).
Блок согласования 14 содержит корпус, в котором расположены камера очистки газа 10 (двухуровневый фильтр), управляемый дроссель 13, пневмоуправляемое запорно-регулирующее устройство 19 нормально-открытого тина. Запорно-регулирующее устройство 19 содержит входной клапан 16, выпускной клапан 18, шток, соединенный с мембраной 17, клапанную пружину, задающую пружину с регулировочным винтом настройки 20. В штоке корпуса и выпускном клапане 18 выполнены отверстия для сброса газа из внутренней полости блока согласования 14 в атмосферу. В канале 26, соединяющем блок согласования 14 с камерой управления 7, установлено седло входного клапана 16 из капролона. Канал 25 соединяет запорно-регулирующее устройство с каналом 27 или выходной камерой непосредственно.
Камера очистки газа 10 содержит два фильтра, концентрично расположенные в одной полой емкости: наружный слой 11 выполнен из сетчатого материала для улавливания мелких частиц размером до 20 мкм, внутренний слой 12 выполнен из пористого материала типа микрофибра для аккумулирования влаги и представляет собой сменный картридж. Камера снабжена каналом для отвода конденсата и технологическим отверстием для обслуживания.
Исполнительное устройство 1 содержит сменное седло 4, последовательно расположенные входную 3, управляющую 7 и выходную 28 камеры. Управляющая камера 7 расположена в металлическом корпусе 2 исполнительного устройства и представляет собой внутреннее пространство направляющей цилиндрической втулки 9, закрепленной в корпусе 2 при помощи ребер жесткости 31. К одной торцевой стороне втулки, обращенной к седлу, прикреплен затвор 5, представляющий собой эластичную мембрану, другая торцевая сторона втулки закрыта крышкой 6. Внутри втулки подвижно размещен стакан 30, дно которого выполнено сферической формы (радиус искривления дна стакана много больше радиуса самого стакана), дно стакана плотно прижато к затвору при помощи пружины 29, расположенной между стаканом и крышкой. В одном из ребер жесткости 31 выполнен канал 26, соединяющий блок согласования 14 с управляющей камерой 7. Для редуцирования высоких давлений стакан 30 выполнен протяженным и снабжен пазом на внешней цилиндрической поверхности, в котором размещено стопорное кольцо 39, в этом случае пружина 29 расположена между дном стакана и крышкой 6 (фиг.3). Для редуцирования низких давлений (до 0,1 МПа) стакан 30 выполнен коротким, к торцу стакана через сильфон 40 (набор шевроновых манжет) прижато стопорное кольцо 39, в этом случае пружина 29 расположена между стопорным кольцом и крышкой 6 (фиг.4). На внутренней поверхности направляющей втулки 9 выполнен ответный фиксирующий паз 41 для стопорного кольца.
Задающее устройство 23 предназначено для управления степенью открытия затвора 5 камеры управления 7 и позволяет производить настройку регулятора на поддержание установленного давления в выходной камере 28. Для требуемой конфигурации регулятора можно подобрать задающее устройство с нужными параметрами из существующей гаммы устройств известных фирм.
Седло 4 снабжено сменным капролоновым кольцевым уплотнением 32 с Т-образной формой поперечного сечения. Плоский конец уплотнения помещен в паз, выполненный в корпусе входной камеры 3, и зафиксирован металлическим кольцом 38 с уступом, выполненным с возможностью резьбового соединения с корпусом входной камеры 3. Выступающий конец Т-образного уплотнения 32 выполнен скругленным для обеспечения плотного прижима к упругому затвору 5 камеры управления 7 без протечек. Выходная камера 28 исполнительного устройства может иметь как одинаковый диаметр с входной камерой 3, так и больший диаметр в зависимости от требований присоединения ее к трубопроводу.
Благодаря датчикам предлагаемый регулятор давления газа позволяет производить мониторинг работоспособности в процессе всего срока эксплуатации с выведением всех требуемых параметров на пульт оператора 33 в режиме реального времени.
Устройство работает в режиме одноступенчатого редуцирования с отсечением по выходному давлению следующим образом (принцип работы в других режимах регулятора аналогичен).
Газ высокого давления из входной камеры 3 исполнительного устройства 1 по каналу 8 поступает через управляемый дроссель 13 блока согласования 14, попадая в управляющую камеру 7, а по внутреннему каналу 15 и каналу 21 - в задающее устройство 23. В начальном состоянии регулировочный винт 22 задающего устройства 23 перекрывает вход газа из канала 21. Расход газа через дроссель 13 отсутствует, и поэтому давление в управляющей камере 7 равно давлению во входной камере 3 исполнительного устройства 1. При этом благодаря наличию предварительного усилия пружины 29, действующего на затвор 5 камеры управления 7, он плотно прижат к седлу 4, не допуская проход газа из входной камеры 3 в выходную камеру 28. В этом случае регулятор закрыт, и расход газа через него отсутствует, и подвижная система находится в покое.
При повороте винта 22 задающего устройства 23 для вывода регулятора в рабочее состояние усилие, создаваемое входным давлением, превышает усилие пружины камеры управления. Разность давлений, действующих на затвор со стороны входной и управляющей камер, вызывает перемещение затвора 5 в сторону открытия и увеличение зазора между седлом 4 и затвором 5, называемого проходным сечением регулятора. После дросселирования газ поступает в выходную камеру и далее потребителю с заданным значением давления. Проходное сечение остается открытым па величину, обеспечивающую установленное значение расхода газа задающим устройством 23.
Увеличение расхода газа вызывает падение давления в выходной камере 28 и благодаря связи через последовательные каналы 27, 25, 15 и 26 падение давления в управляющей камере 7, что нарушает равновесие сил, действующих на мембрану затвора 5. Затвор 5 под действием разности сил перемещается в сторону увеличения проходного сечения регулятора и увеличивает поток газа из входной камеры 3. Это приводит к восстановлению давления газа в выходной камере 28 и в камере управления 7 до первоначального значения. При повышении давления на выходе регулятор работает аналогично, уменьшая проходное сечение.
Настройка регулятора на требуемое давление осуществляется регулировочным винтом 22 задающего устройства 23 как в ручном, так и в автоматическом режиме при использовании привода 37 (например, 1ЭПУ-М5 ООО «Контакт», СУРФ «ИНЭК» Украина или электропневмопреобразователь ЭП-НХ фирмы «Газавтоматика» г.Москва).
В штатном режиме клапан запорный нормально-открытого типа 19 открыт и изменение выходного давления в установленных пределах не приводит к его срабатыванию. Он находится в равновесном состоянии - в так называемом режиме «ожидания». Настройку клапана запорного осуществляют регулировочным винтом 20, устанавливая по манометру порог срабатывания «X». Любые изменения выходных давлений вне допустимых пределов нарушают баланс усилий, создаваемых парой «мембрана-пружина» в запорном клапане 19 блока согласования 14, настроенного на порог срабатывания «X», и заставляют перекрыть канал управления 21.
При повышении давления газа в выходной камере 28 до недопустимой величины (для конкретной настройки блока согласования 14) давление из выходной камеры по последовательным каналам 27 и 25 попадает в подмембранную полость клапана запорного 19, равновесное состояние нарушается, мембрана 17 перемещается вверх, клапан 16 закрывается, клапан 18 открывается и газ входного давления через дроссель 13 блока согласования попадает в камеру управления 7, прижимает затвор 5 к седлу 4, регулятор давления закрывается. После снижением давления на выходе регулятора до нормы мембрана 17 клапана запорного перемещается вниз, клапан 18 закрывается, клапан 16 открывается, и давление в выходной камере 28 вновь поддерживается на уровне, установленном задающим устройством. После восстановления выходного давления клапан запорный 19 переходит в открытое состояние - режим «ожидания». При этом стопорное кольцо 39 не доходит до фиксирующего паза 41, т.к. затвор находится в исправном состоянии, а сменное седло не изношено, что обеспечивается конструкцией регулятора.
При разрыве мембраны затвора 5 камеры управления 7 избыточное давление выходной камеры 28 перекрывает запорным клапаном 19 канал 21 задающего устройства, и газ из входной камеры 3 попадает в камеру управления 7 и, складываясь с усилием пружины 29 камеры управления 7, перемещает подвижный стакан 30 и закрывает входную камеру 3, отсекая доступ входного давления в выходную камеру 28. Стопорное кольцо 39 входит в паз 41 и фиксирует стакан. Аналогично происходит фиксация стакана при недопустимом износе сменного кольцевого уплотнения 32 седла 4, которое подлежит замене обслуживающим персоналом. При любых изменениях входного и выходного давления для данного случая регулятор будет закрыт. Дальнейшее восстановление регулятора в исходное состояние возможно только после замены мембраны 5 или изношенного сменного седла на новые обслуживающим персоналом. Таким образом, обеспечивается избирательное действие регулятора давления в качестве отсекателя.
Регулятор давления может быть дополнительно снабжен устройствами для дистанционного управления параметрами регулятора и мониторинга его в процессе эксплуатации. Таким образом, уровень критичности, контролируемый в процессе эксплуатации регулятора оператором в режиме реального времени, позволяет обеспечить контроль профилактического обслуживания и может использоваться для составления графика планово-предупредительного ремонта и учета продолжительности работы регулятора до полного износа. Это повышает оперативность профилактических работ, обеспечивает надежность предлагаемой конструкции при эксплуатации а течение всего срока службы.
3
3
Возможны следующие варианты выполнения многофункционального регулятора давления, предназначенного для магистральных и распределительных газопроводов: для высокого давления 0,3; 0,6; 1,2 и 4,0 МПа; для низкого давления 0,0008-0,005; 0,001-0,01; 0,005-0,1; 0,01-0,15 МПа. Благодаря особой конструкции заявляемое устройство обеспечивает погрешность стабилизации не более ±2,5%; редуцирование и стабилизацию давления при расходе от 10 м/ч до 950000 м/ч. В зависимости от модификации устройство может быть снабжено теплогенератором для обогрева седла.
Возможны следующие модификации: регулятор со встроенным отсекателем избирательного действия для одноступенчатого редуцирования; регулятор-монитор; регулятор и встроенный монитор; регулятор с ограничителем расхода.
Изобретение обладает следующими функциональными возможностями: одноступенчатое редуцирование с классом точности ±2,5%; двухступенчатое редуцирование; редуцирование с высокого давления на среднее; редуцирование со среднего давления на низкое; редуцирование с классом точности ±1%; работа в качестве предохранительного запорного клапана, предохранительного сбросного клапана, клапана-отсекателя. Для двухступенчатого снижения давления с высокого до низкого необходимо использовать два встроенных регулятора в одном корпусе.