СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА ГАЗА

Полезная модель относится к оборудованию для транспортировки газа и может быть использована в системах газораспределительных станций (ГРС), предназначенных для снабжения потребителей газом от магистральных и промысловых газопроводов с автоматическим поддержанием заданных величин давления и расхода газа, регулирования в широких пределах расхода газа и перекрытия подачи газа в аварийных ситуациях или в случаях несанкционированно отбора газа.
Известен регулятор давления - ограничитель расхода газа, содержащий корпус с входным и выходным фланцами. В корпусе размещен регулятор - ограничитель, установленный со стороны входа газа. К входному фланцу регулятора пристыкована высоконапорная магистраль, а к выходному фланцу корпуса своим фланцем пристыкован переходник, внутри которого установлено сопло Вентури, а к свободному фланцу переходника пристыкован второй, аналогичный первому корпус, с установленным в нем регулятором - ограничителем. К выходному фланцу второго корпуса подсоединена низконапорная магистраль потребления. Регуляторы - ограничители и сопло установлены соосно друг другу. Регуляторы снабжены пилотными устройствами, состоящими из редуктора и усилителя. Для обеспечения настройки регуляторов - ограничителей, каждое пилотное устройство снабжено манометрами, показывающими последовательно входное давление, давление питания, управляющее давление, причем пилотное устройство первого регулятора дополнительно снабжено манометром, показывающим давление обратной связи, то есть, давление на входе в сопло Вентури. Пилотное устройство второго регулятора снабжено аналогичными показывающими манометрами.
В процессе работы регулятора давления на его вход подается газ из высоконапорной магистрали. В соответствии с максимальным расходом газа, согласованным с потребителем, и учитывая величину давления, поддерживаемого в низконапорной магистрали, устанавливают соответствующее сопло Вентури и задают значение давления перед ним, величина которого устанавливается редуктором и пневмоусилителем первого регулятора, при этом контроль давления осуществляется по показаниям манометров.
Аналогичным образом используется пилотное устройство второго регулятора, где устанавливается величина давления в низконапорной магистрали потребления.
При несанкционированном потреблении газа выше установленного регулятором, в сопле Вентури устанавливается критический режим течения, после чего величина расхода становится постоянной, а давление газа в магистрали потребления автоматически понижается со скоростью, определяемой величиной превышения газопотребления и массой газа в объеме низконапорной магистрали потребления. При газопотреблении, не превышающем заданной максимальной величины, сопло Вентури работает в дозвуковом режиме, а второй регулятор поддерживает давление, необходимое потребителю.
(см. патент РФ №2150139, кл. G05D 16/10, 2000 г.).
В результате анализа выполнения известного регулятора - ограничителя необходимо отметить, что в нем регулирование расхода газа осуществляется в весьма узких пределах, в противном случае, необходима установка сменного сопла Вентури с другими параметрами, что неудобно и занимает много времени. Кроме того, выполнение данного устройства не предполагает возможности его дистанционного управления в процессе функционирования.
Известно запорно-регулирующее устройство, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, имеющими возможность соединения с магистралью подачи рабочей среды (жидкости или газа). В корпусе устройства размещены запорные клапаны. К запорным клапанам подключены преобразователи, связанные с блоком (модулем) управления, имеющим выход для обеспечения возможности внешнего (дистанционного) управления.
Каждый клапан выполнен в виде полого поршня, подпружинен упругим элементом на запирание и снабжен механизмом его перемещения и датчиком положения.
Каждый преобразователь выполнен в виде электропневматического триггера и содержит два электропневмоклапана, пневмоцилиндр с поршнем, реечную передачу, два дросселя и поворотный затвор.
Модуль управления содержит преобразователь «ток - напряжение», последовательно соединенный с аналогово-цифровым преобразователем, связанным с блоком формирования управляющих импульсов, а последний связан с блоком ключевых усилителей мощности, как минимум один из входов которого является для модуля управления входом для внешнего управления.
В исходном положении все запорные клапаны закрыты. Давление рабочей среды поступает на входы преобразователей. Электропневматические триггеры при этом обесточены, поршни находятся в левом положении, а поворотные затворы обеспечивают поступление рабочей среды в пружинные полости запорных клапанов.
При подаче управляющего токового сигнала, например, с дистанционного пульта на модуль управления, данный сигнал преобразуется в напряжение, затем в аналогово-цифровом преобразователе в цифровой код, который поступает на блок формирования управляющих импульсов, управляющих срабатыванием электропневмоклапанов. При срабатывании электропневмоклапанов открывается доступ рабочей среды в одну из полостей пневмоцилиндра, другая полость которого сообщена с атмосферой. Под действием разности давлений поршень совершает перемещение и через реечную передачу переводит поворотный затвор в положение, при котором подпоршневая полость запорного клапана сообщается с атмосферой, в результате чего давление в подпоршневой полости уменьшается и под действием рабочей среды запорный клапан, преодолевая усилие пружины, совершает перемещение, открывая проход рабочей среде. Сигнал положения запорного клапана (сигнал обратной связи) поступает на модуль управления и на внешний пульт управления. При изменении управляющего сигнала изменяется и проходное сечение запорнорегулирующего устройства.
(см. патент РФ №2037178, кл. G05D 7/06, 1995 г.).
В результате анализа выполнения известного устройства необходимо отметить, что оно позволяет осуществлять регулировку подачи рабочей среды в достаточно широких пределах, постоянно контролирует в процессе работы положение запорного клапана, то есть, площадь проходного сечения, причем управление устройством может осуществляться дистанционно.
Однако, учитывая, что регулирование подачи рабочей среды осуществляется дискретно, а само устройство содержит целую гамму дублирующих механизмов перемещения запорных клапанов, то точность регулирования весьма невысока, что обусловлено также и тем, что регулирование устройства осуществляется только с учетом одного параметра - давления рабочей среды на входе в устройство. Учитывая, что механизм управления положением запорного клапана весьма сложен конструктивно, надежность его невысока.
Известна реализующая способ регулирования расхода и давления при поставках газа потребителям система, содержащая датчик давления газа, установленный на трубопроводе, выход датчика давления связан с входом регулятора давления, выход которого связан с первым входом селектора минимума. Система также содержит датчик расхода газа, выход которого связан с входом регулятора расхода, выход которого связан с вторым входом селектора минимума, выход которого связан с исполнительным механизмом регулировочного клапана, установленного в газовой трубе.
В процессе работы системы, если потребление газа ниже заданной величины, что фиксируется датчиком расхода, регулятор расхода будет стремиться открыть клапан для восстановления расхода и сигнал на выходе этого регулятора будет увеличиваться. В этой ситуации давление после клапана начнет увеличиваться, что будет зафиксировано датчиком давления регулятора давления и регулятор начнет уменьшать сигнал на своем выходе, стремясь прикрыть клапан для удержания давления газа на заданной величине. Таким образом, сигналы на выходе регуляторов давления и расхода будут изменяться в противоположных направлениях. Селектор пропустит на клапан сигнал того регулятора, у которого значение сигнала меньше, а именно сигнал регулятора давления, который будет ограничивать давление в трубопроводе на заданной величине.
Если потребление газа станет выше заданной величины, регулятор расхода уменьшит свой выходной сигнал до величины, обеспечивающей поддержание расхода не выше заданного. Это приведет к падению давления в трубопроводе потребителя, и регулятор давления увеличит сигнал на выходе, стремясь удержать давление, равное заданной величине.
Таким образом, и в этом случае регуляторы давления и расхода действуют в противоположных направлениях, но селектор пропустит на исполнительный механизм клапана сигнал регулятора расхода, поскольку он будет меньшим, и регулятор расхода станет ограничивать расход газа потребителю до заданной величины.
(см. патент РФ №2176100, кл. G05D 16/00, 2001 г.)
В результате анализа известной системы необходимо отметить, что она весьма инерционна, не обеспечивает перенастройки в процессе работы и прекращения подачи газа в аварийных ситуациях, что существенно ограничивает область ее применения.
Известна система регулирования подачи рабочей среды, преимущественно, газовой, содержащая состыкованный с газовым трубопроводом дозатор среды с установленным в его корпусе запорным клапаном, например, тарельчатого типа с управляемым положением створок. Установленный в корпусе запорный клапан имеет возможность перемещения посредством механизма, в качестве которого используется управляемый моментный мотор. Положение запорного клапана отслеживается датчиком. В трубопроводе, перед входом в дозатор установлены датчики давления (Р1) и температуры (Т) транспортируемого газа. На выходе дозатора установлены датчики давления (Р2) на выходе дозатора и в выходной магистрали (Р3).
Устройство оснащено модулем управления, связанным с упомянутыми датчиками.
Модуль управления содержит блок вычисления расхода газа, блок управления моментным мотором, блок контроля выходного давления среды, блок ввода уставок и индикации параметров, имеющий возможность посредством канала связи соединения с системой автоматического управления работой ГРС.
Блок ввода уставок двунаправленными каналами связи связан с блоками модуля управления.
Для работы устройство монтируют на газовой трубе подачи газа от ГРС к потребителям.
Газовый поток поступает по трубе в дозатор к запорному клапану. Давление и температура подаваемого газа измеряются датчиками и показатели давления и температуры подаются на блок вычисления расхода среды, где определяется расход газа. Посредством датчиков определяется давление на выходе дозатора, а также давление в выходной магистрали и сигналы с датчиков передаются соответственно в блоки вычисления расхода и контроля выходного давления газа.
Кроме того, постоянно контролируется положение запорного клапана. На блок ввода уставок поступают сигналы с диспетчерского пункта по максимально допустимому расходу газа и минимально и максимально допустимому значению давления в выходной магистрали. Эти значения передаются в блоки вычисления расхода и контроля выходного давления газа. Блок вычисления расхода в соответствии с сигналами от блока ввода уставок, сигналами с датчиков и в зависимости от положения запорного клапана производит вычисление текущего расхода газа, сравнивает его со значениями, полученными с блока ввода уставок, и полученный сигнал разности передает в блок управления моментным мотором для управления механизмом клапана дозатора.
Блок контроля выходного давления сравнивает текущее значение давления газа в выходной магистрали с заданными значениями минимального и максимального допустимых значений, поступаемых с блока ввода уставок, и полученные сигналы разности передает на блок управления мотором, который по полученным управляющим сигналам и сигналу о положении запорного клапана выдает управляющий сигнал на механизм для регулирования положения запорного клапана, который соответствующим образом изменяет проходное сечение трубопровода, обеспечивая тем самым заданное значение расхода газа.
В случае необходимости командного перемещения запорного клапана, например, при аварийном отключении подачи газа, команда с пульта управления по каналу передается на блок ввода уставок, а с него на блок управления мотором, который подает сигнал на перекрытие запорным клапаном трубопровода и прекращение подачи газа.
(см. патент РФ №2294555, кл. G05D 7/06 2007 г.) - наиболее близкий аналог.
Данное устройство позволяет осуществлять подачу рабочей среды (жидкости, газа) потребителям с выдерживанием заданных параметров подачи среды на основе сравнения ее входных и выходных параметров и автоматического поддержания заданных параметров в процессе работы устройства. Однако данная система характеризуется невысокой точностью регулирования заданных параметров и достаточно большой инерционностью.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка системы регулирования давления и расхода газа, позволяющей осуществлять регулирование подачи рабочей среды с высокой точностью в автоматическом режиме, в том числе дистанционно, с пульта правления, находящегося на удалении от управляемого объекта.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе регулирования давления и расхода газа, содержащей имеющий возможность встраивания в газопровод регулятор давления и расхода газа, оснащенный дозатором, дозирующий элемент которого, связан с приводом регулирования его положения, модуль регулирования давления и расхода газа, включающий блок вычисления давления и расхода газа, связанный с датчиками давления и температуры газа перед дозирующим элементом, датчиками давления газа за дозирующим элементом и за регулятором, и через интерфейсный блок имеющий возможность соединения с системой управления диспетчерского пункта газораспределительной станции, новым является то, что блок вычисления давления и расхода газа, связан с датчиками через аналого-цифровой преобразователь, причем система оснащена модулем управления положением дозирующего элемента, содержащим интерфейсный блок, вычислительный блок и аналого-цифровой преобразователь, вход интерфейсного блока данного модуля связан с выходом интерфейсного блока модуля регулирования давления и расхода газа и имеет возможность соединения с системой управления диспетчерского пункта газораспределительной станции, подачей газа, а выход связан с блоком вычисления положения дозирующего элемента, входы которого связаны с введенным в систему датчиком углового положения ротора двигателя привода регулирования положения дозирующего элемента, а также с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого связан также с датчиком положения дозирующего элемента, а выход блока вычисления положения дозирующего элемента имеет возможность соединения с двигателем привода регулирования положения дозирующего элемента, при этом система дополнительно снабжена расходомером прокачиваемого через газопровод газа, связанным с интерфейсным блоком модуля регулирования давления и расхода газа, а блок вычисления положения дозирующего элемента связан с двигателем через ШИМ генератор и инвертор, выходы которого связаны с двигателем и входами аналого-цифрового преобразователя модуля управления положением дозирующего элемента.
Использование двух модулей управления позволяет оперативно и с высокой точностью регулировать давление и расход газа в широких диапазонах.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 представлена схема системы регулирования давления и расхода газа;
- на фиг.2 представлена схема модуля регулирования давления и расхода газа;
- на фиг.3 представлена схема модуля управления положением дозирующего элемента дозатора.
Система регулирования давления и расхода газа содержит встроенный в газопровод регулятор 1 давления и расхода газа, оснащенный дозатором 2 с дозирующим элементом (иглой дозатора) 3. Монтаж регулятора в газопровод осуществляется посредством фланцев 4.
Дозирующий элемент 3 дозатора 2 может быть выполнен различным известным образом, например, в виде штока с одной или несколькими тарелями, имеющими возможность перемещения посредством регулируемого привода относительно седла (седел) выполненного (выполненных) в корпусе дозатора. Дозирующий элемент может быть выполнен аналогично дозирующему элементу, известному из решения по патенту РФ на изобретение №2391695 или из решения по патенту РФ на полезную модель №73094. Зазор между тарелью и седлом определяет пропускную способность (расход) дозатора. Регулирование данного зазора в зависимости от параметров газового потока на входе в регулятор и выходе из него, а также полное перекрывание проходного сечения между тарелью и седлом осуществляется перемещением дозирующего элемента 3, которое осуществляется приводом. Данный привод может быть выполнен различным известным образом, например, в виде винтового механизма, винт которого скреплен со штоком дозирующего элемента, а гайка кинематически связана с двигателем 5. В качестве двигателя наиболее целесообразно использовать стандартный трехфазный вентильный электродвигатель, работа которого осуществляется от последовательно соединенных шестиканального ШИМ генератора 6 и инвертора 7, выходы которого соединены со статорными обмотками двигателя 5.
Линейное положение дозирующего элемента (иглы дозатора) 3 отслеживается датчиком 8 положения дозирующего элемента. Угловое положение ротора (не показан) двигателя 5 отслеживается датчиком 9 углового положения ротора двигателя. Система оснащена установленными перед дозатором 2 датчиками 10 и 11, соответственно, давления (Р1) и температуры (Т1) прокачиваемого по газопроводу газа. За дозирующим элементом (по направлению движения газа) установлены датчики 12 и 13 соответственно, давления (Р2) за дозирующим элементом и за регулятором - в выходной магистрали газопровода (Р3). Наиболее целесообразно датчики 10, 11, 12, размещать в каналах, выполненных во фланцах 4 регулятора 1.
Система может быть оснащена расходомером 14, установленным на газопроводе за дозатором.
Система оснащена модулем регулирования давления и расхода газа и модулем управления положением дозирующего элемента (иглы дозатора). Данные модули могут быть скомпонованы в виде единого блока 15, смонтированного на регуляторе 1. Модуль регулирования давления и расхода газа содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП 1), блок 17 вычисления давления и расхода газа (вычислительный блок 1) и интерфейсный блок 18 (интерфейсный блок 1). Входы аналого-цифрового преобразователя 16 связаны с датчиками 10, 11, 12, 13.
Входы блока 18 связаны с расходомером 14 и имеют возможность связи с системой более высокого уровня - системой управления диспетчерского пункта ГРС.
Модуль управления положением дозирующего элемента содержит интерфейсный блок 19 (интерфейсный блок 2), с входом которого связан выход интерфейсного блока 18.
Входы блока 19 также имеют возможность связи с системой управления диспетчерского пункта ГРС. Выход блока 19 связан с первым входом вычислительного блока 20 вычисления положения дозирующего элемента (вычислительный блок 2), со вторым входом которого связан датчик 9 углового положения ротора двигателя 5, а с третьим - выход второго аналого-цифрового преобразователя 21 (АЦП 2), с входами которого связаны датчик 8 линейного положения дозирующего элемента и проводные линии (Ia, Ib, Ic) соединения инвертора 7 с фазами двигателя, что целесообразно для ограничения токов, протекающих через обмотки двигателя 5 для предотвращения его перегрузки.
Выход вычислительного блока 20 связан с входом ШИМ генератора 6.
Для комплектации системы используются стандартные датчики, аналого-цифровые преобразователи, интерфейсные и вычислительные блоки.
Система регулирования давления и расхода газа работает следующим образом.
Газовый поток поступает по газопроводу в дозатор 2 к дозирующему элементу 3. Давление и температура подаваемого газа измеряются соответственно датчиками 10 и 11, а давления газа на выходе дозатора и в магистрали - соответственно датчиками 12 и 13. Значения давления и температуры подаются на аналого-цифровой преобразователь 16, с которого сигнал в цифровой форме поступает на вход блока 17 для вычисления давления и расхода газа, где определяется текущее значение давления и расхода газа, и формируется сигнал по расходу и давлению для управления дозирующим элементом. Блок 17 может быть реализован на трех стандартных ПИД-регуляторах, соответственно - регуляторе минимально допустимого давления, регуляторе максимально допустимого давления и регуляторе расхода газа. Выбор текущего регулятора определяется соответствующими командами от системы верхнего уровня (оператором ГРС). Выходной сигнал с блока 17 поступает на вход интерфейсного блока 18, где осуществляется прием управляющих команд от системы верхнего уровня (например, центрального пульта ГРС) по одному из каналов: RS-485, Ethernet или CAN с использованием протокола MODBUS и информации от расходомера 14 о расходе (Q) для последующей коррекции расхода в блоке 20. Канал связи RS-232 используется для обмена информацией с интерфейсным блоком 19 (задание положения дозатора).
Управляющий сигнал с блока 18 поступает на вход интерфейсного блока 19 модуля управления положением дозирующего элемента, куда также поступают управляющие сигналы с системы управления диспетчерского пункта ГРС. Для связи с системой высокого уровня используется один из четырех каналов связи (CAN, RS-232, RS-485, 4…20 мА). При использовании цифровых каналов связи CAN, RS-232, RS-485 применяется протокол обмена MODBUS. Канал 4…20 мА предназначен для передачи команд на граничные положения дозирующего элемента («полностью закрыт», «полностью открыт»).
Выходной сигнал с интерфейсного блока 19 поступает на вход вычислителя 20 положения дозирующего элемента, на вход которого также поступают сигналы с датчика 9 и аналого-цифрового преобразователя 21. Выработанный на основе полученных данных управляющий сигнал, определяющий требуемое положение дозирующего элемента, с вычислительного блока 20 поступает на ШИМ генератор, который формирует импульсы широтно-импульсной модуляции для управления силовыми ключами инвертора, а с него на инвертор 7, который коммутирует обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был ортогонален вектору магнитного поля ротора (в соответствии с широко известным алгоритмом векторного управления) и на двигатель 5, который перемещает дозирующий элемент в заданное положение.
В процессе работы системы с диспетчерского пункта ГРС на блоки 18 и/или 19 поступают сигналы по максимально допустимому расходу газа и минимально и максимально допустимому значению давления в выходной магистрали. В соответствии с выходными сигналами блоков 18 и 19, а также сигналами, с датчиков 8, 9, 10, 11, 12, 13 и в ряде случаев, расходомера 14, в блоках 17 и 20 осуществляется вычисление текущих давления и расхода газа, сравнение их с заданными значениями и полученный в результате сравнения сигнал управления подают на двигатель 5 управления положением дозирующего элемента дозатора.
В случае необходимости перемещения запорного клапана, например, при аварийном отключении подачи газа, команда с пульта управления ГРС передается на блок 20, который выдает на двигатель 5 управляющий сигнал на перекрытие дозирующим элементом газопровода и прекращение подачи газа.
При перегрузке двигателя 5 сигналы с соответствующим уровнем с выхода инвертора 7 передаются на входы аналого-цифрового преобразователя 21, который формирует сигнал, отключающий силовые ключи инвертора от обмоток двигателя для предохранения выхода из строя инвертора 7. При этом вычислительный блок, формирует код перегрузки для передачи в систему верхнего уровня.