МОДУЛЬ РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE REGULATOR MODULE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневмоавтоматике, и может быть использовано для снижения и регулирования давления газа, поступающего потребителю из магистрали высокого давления, например, для регулирования давления природного газа на выходе из газораспределительных станций, в системах подачи топливного газа в котельные установки и факельные устройства, в нефтегазовой промышленности при переработке углеводородов.
Известен регулятор давления газа (патент РФ №2361261, МПК G05D 16/10, опубл. 10.07.2009 г., Бюл. №19), содержащий каналы входа и выхода газа, корпус с задней крышкой, внутри которого на штоке, установленном с возможностью осевого перемещения, закреплены поршневой клапан, сообщающий каналы входа и выхода газа, и регулирующий поршень, разделенные между собой с образованием соответственно разгрузочной полости и полости управляющего давления, а между регулирующим поршнем и задней крышкой корпуса образована полость выходного давления, разгрузочная полость сообщена с каналом входа газа, а полость выходного давления сообщена с каналом выхода газа, отличающийся тем, что полость управляющего давления сообщена с системой командного давления посредством системы демпфирования, которая включает разделительную емкость с газовой и гидравлической полостями и жиклер, газовая полость сообщена с системой командного давления газа, а гидравлическая через жиклер - с полостью управляющего давления. Данное устройство обладает недостаточной точностью поддержания выходного давления при быстрой смене режимных параметров и не обеспечивает надежной герметичности устройства в положении регулятора «закрыто», поскольку металлические элементы седла и клапана, образующие регулируемый газовый тракт, быстро теряют герметичность вследствие износа и эрозии.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является регулятор давления - ограничитель расхода газа (патент РФ №2150139, МПК G05D 16/10, G05D 7/00, опубл. 27.05.2000), содержащий со стороны входа газа регулятор давления непрямого действия, выход которого соединен со входом дросселирующего элемента, выполненного в виде сопла Вентури, а выход сопла соединен со входом дополнительного регулятора давления непрямого действия, выход которого соединен с магистралью потребления, причем оба упомянутых регулятора являются регуляторами осевого типа и установлены соосно. Недостатком известного технического устройства является недостаточная точность поддержания выходного давления при быстрой смене режимных параметров: при внезапном запуске, резком повышении давления, резком изменении расхода газа, поскольку в системах управления регуляторов, которые подают командные давления в исполнительные элементы регуляторов, возникают из-за отсутствия демпфирующих элементов колебания, приводящие к пульсациям давления в магистрали потребителя и снижению точности поддержания выходного давления в магистрали потребителя.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышение ресурса и надежности работы, расширения функциональных возможностей, точности поддержания выходного давления и стабильности работы, защиты магистрали потребителя от повышения давления.
Технический результат достигается тем, что в модуле регуляторов давления, включающем, по меньшей мере, два регулятора давления газа - входной и выходной, последовательно соединенные между собой, выход входного регулятора соединен с входом выходного, каждый из регуляторов содержит каналы входа и выхода газа, корпус с крышкой, внутри которого имеется седло, подвижный шток с клапаном и поршнем, разделяющим полость управляющего давления и полость давления обратной связи, канал управляющего давления со штуцером и канал обратной связи, соединяющий полость обратной связи с каналом выхода, новым является то, что гидравлический тракт выходного регулятора обратно противоположен гидравлическому тракту входного регулятора (поток газа во входном регуляторе направлен на клапан, а в выходном под клапан), во входном и выходном регуляторе каналы обратной связи выполнены в корпусе, штуцер управляющего давления содержит жиклер-клапан, установленный с возможностью перемещения и изменения площади его проходного сечения, клапан включает накидную гайку, деформируемую прокладку и регулировочную шайбу, ограничивающую ее деформацию, канал выхода выходного регулятора соединен последовательно с емкостью-демпфером и с линиями обратной связи командных устройств.
В линиях питания командных устройств и в канале входа газа установлены фильтры.
На фиг.1 представлен продольный разрез модуля регуляторов давления.
На фиг.2 представлен фрагмент клапана с седлом.
На фиг.3 представлен продольный разрез штуцера командного давления с жиклером-клапаном.
На фиг.4 представлена блок-схема системы управления модуля.
Модуль регуляторов давления представляет собой единый блок, в котором последовательно по ходу газа установлены два регулятора давления: первый по потоку регулятор давления (далее в тексте РД1) и второй по потоку регулятор давления (далее в тексте РД2).
Здесь: 1 - канал входа газа; 2 - фильтр; 3 - фланец входа; 4 - диск; 5 - седло РД1; 6 - корпус РД1; 7 - регулировочная шайба РД1; 8 - деформируемая прокладка РД1; 9 - накидная гайка РД1; 10 - шток РД1; 11 - штуцер управляющего давления РД1; 12 - жиклер-клапан; 13 - канал управляющего давления РД1; 14 - полость управляющего давления РД1; 15 - поршень РД1; 16 - пружина РД1; 17 - полость выходного давления РД1; 18 - канал обратной связи РД1; 19 - полость давления обратной связи РД1; 20 - крышка РД1; 21 - отверстие штока РД1; 22 - поршень разгрузочный РД1; 23 - полость разгрузочная РД1; 24 - цилиндр разгрузочный РД1; 25 - проставка; 26 - обечайка; 27 - крышка РД2; 28 - цилиндр разгрузочный РД2; 29 - полость разгрузочная РД2; 30 - полость давления обратной связи РД2; 31 - поршень РД2; 32 - полость управляющего давления РД2; 33 - штуцер управляющего давления РД2; 34 - поршень разгрузочный РД2; 35 - канал входа РД2; 36 - накидная гайка РД2; 37 - деформируемая прокладка РД2; 38 - регулировочная шайба РД2; 39 - отверстие штока РД2; 40 - канал обратной связи РД2; 41 - канал датчика давления; 42 - корпус РД2; 43 - седло РД2; 44 - шток РД2; 45 - фланец выхода; 46 - канал выхода; 47 - штуцер отбора давления выхода; 48 - линия давления выхода; 49 - линия обратной связи командного устройства РД2; 50 - линия обратной связи командного устройства РД1; 51 - командное устройство РД2; 52 командное устройство РД1; 53 - фильтр импульсного газа; 54 - линия импульсного газа; 55 - линия утилизации импульсного газа; 56 - линия управляющего давления РД1; 57 - линия управляющего давления РД2; 58 - емкость-демпфер; 59 - дренажная магистраль; 60 и 61 - редукторы газовые; Δh - регулируемый зазор между седлом 43 и накидной гайкой 36 (и седлом 5 и накидной гайкой 9).
Модуль содержит канал входа газа 1, в котором установлен фильтр 2, соединенный с фланцем входа 3, диском 4 и последовательно установленными по потоку газа входным (контрольным) регулятором давления РД1 и выходным (рабочим) регулятором давления РД2. Первый по потоку регулятор давления РД1 содержит корпус 6 с крышкой 20. Внутри корпуса 6 установлен с возможностью осевого перемещения шток 10. С одной стороны хвостовая часть штока имеет конусообразную или цилиндрическую поверхность, входящую в отверстие седла 5 РД1. С этой же стороны на штоке смонтирован клапан РД1, включающий деформируемую прокладку 8, регулировочную шайбу 7 и накидную гайку 9. С другой стороны хвостовая часть штока содержит поршень разгрузочный 22, который совместно с цилиндром разгрузочным 24 образует полость разгрузочную РД1 23, соединенную отверстием 21 в штоке РД1 с каналом входа 1. В средней части штока 10 жестко закреплен поршень 15 РД1, образующий и герметично разделяющий в корпусе 6 полость управляющего давления 14 и полость давления обратной связи 19 РД1. Пружина 16 РД1, опираясь на неподвижную крышку 20, поджимает шток 10 с клапаном к седлу 5 РД1. Полость управляющего давления 14 РД1 с помощью канала управляющего давления РД1 13, штуцера управляющего давления 11, внутри которого установлен подвижный жиклер-клапан 12, и линии управляющего давления 56 соединена с командным устройством РД1 52. Перед командным устройством установлен газовый редуктор 60. Полость давления обратной связи 19 РД1 соединена с помощью канала обратной связи 18 РД1 с полостью выходного давления РД1 17. Непосредственно за редуктором РД1, через проставку 25, установлен редуктор РД2, принципиально не отличающийся от РД1 за исключением конструкции каналов передачи давления обратной связи в корпусе 42 РД2 и седле 43 РД2. Полость выходного давления 17 РД1 соединена с полостью входного давления 35 РД2.
Второй по потоку регулятор давления РД2 содержит корпус 42, помещенный внутри обечайки 26. Внутри корпуса установлен с возможностью осевого перемещения шток РД2 44. С одной стороны хвостовая часть штока имеет конусообразную или цилиндрическую поверхность, входящую в отверстие седла 43 РД2. С этой же стороны на штоке смонтирован клапан РД2, состоящий из деформируемой прокладки 37, накидной гайки 36 и регулировочной шайбы 38. С другой стороны хвостовая часть штока содержит поршень системы разгрузки РД2 34, вставленный в цилиндр системы разгрузки РД2 28. Цилиндр 28 и поршень 34 образуют полостью системы разгрузки РД2 29, соединенную каналом системы разгрузки 39 РД2 с каналом выхода 46. В средней части штока 44 жестко закреплен поршень 31 РД2, образующий и герметично разделяющий в корпусе 42 РД2 полость управляющего давления 32 РД2 и полость давления обратной связи 30 РД2. Пружина 16 РД2, опираясь на неподвижную крышку 27, поджимает шток 44 с клапаном к седлу 43 РД2. Полость управляющего давления 32 РД2 с помощью канала в корпусе РД2, штуцера управляющего давления 33 РД2 с подвижным жиклером 12 и линии управляющего давления 57 соединена с командным устройством РД2 51. Перед командным устройством установлен газовый редуктор 61. Полость давления обратной связи 30 РД2 соединена с помощью каналов обратной связи 40 РД2 с полостью выхода 46. Непосредственно за РД2 установлен фланец выхода 45, препарированный отверстием отбора статического давления 41. В канале выхода 46 установлен штуцер отбора давления выхода 47, который через линию давления выхода 48 соединяется с емкостью-демпфером 58. Емкость-демпфер 58 предназначена для сглаживания пульсаций давления и обеспечивает передачу выходного давления по линиям 50 и 49 в командные устройства 52 и 51 соответственно для осуществления обратной связи в системах управления редукторами РД1 и РД2. Штуцер 47 располагается в канале выхода 46 на расстоянии не мене 12 калибров от ближайшего гидравлического сопротивления после выходного фланца 45 (под калибром понимается безразмерная величина, равная отношение длины к диаметру канала). В штуцерах управляющего давления 11 и 33 установлены жиклеры-клапаны 12, которые имеют возможность перемещаться внутри штуцера под действием потока газа. Жиклеры имеют лыски (фиг.3), вследствие чего при перемещении жиклера изменяется проходное сечение канала в штуцерах управляющего давления - уменьшается при перемещении жиклера вниз, что соответствует возрастанию управляющего давления и увеличивается при перемещении жиклера вверх, что соответствует снижению управляющего давления. Штуцеры устанавливаются в корпусе редуктора вертикально (по вектору действия силы тяжести), таким образом, чтобы при отсутствии управляющего давления жиклер находился в корпусе штуцера в нижнем положении, как показано на фиг.3. Изменение площади проходного сечения каналов в штуцерах управляющего давления, вследствие перемещения жиклеров, уменьшает колебания давления в канале выхода, обеспечивает стабильность работы регуляторов и точность поддержания давления, поскольку препятствует быстрому нарастанию давления в полости управляющего давления при открытии регулятора или его быстром нагружении, обусловленном резким увеличением расхода газа. И наоборот, увеличивает скорость реакции системы управления положением штока с клапаном при уменьшении управляющего давления (разгружении регулятора). Таким образом, обеспечивается стабильность работы и точность поддержания выходного давления. В линии импульсного газа 54 установлен фильтр 53 и газовые редукторы 60 и 61 перед командными устройствами. Регуляторы собраны в единый блок и установлены таким образом, что гидравлический тракт выходного регулятора обратно противоположен гидравлическому тракту входного регулятора (поток газа во входном регуляторе РД1 направлен на клапан, а в выходном регуляторе РД2 - под клапан).
Модуль регуляторов давления предназначен для редуцирования газа и защиты магистрали низкого давления (канал выхода газа 46), от превышения давления на определенную величину, задаваемую потребителем. Первый по потоку газа регулятор давления РД1 является контрольным и настраивается на давление, превышающее номинальное, заданное потребителем в канале выхода 46, на некоторую величину (порядка 5÷10 % от номинального). Второй по потоку регулятор давления РД2 является рабочим и настраивается на номинальное значение выходного давления в канале 46. Такой режим работы модуля обеспечивается командным устройством 52, которое подает давление определенной величины по магистрали 56 в полость управляющего давления 14 РД1 и командным устройством 51, которое подает давление определенной величины по магистрали 57 в полость управляющего давления 32 РД2. Величины управляющих давлений, создаваемых командными устройствами 51 и 52, задаются с помощью органов управления командными устройствами и контролируются датчиками давления. При нормальной работе выходного регулятора РД2, когда давление в канале выхода 46 соответствует заданному номинальному значению, входной регулятор давления РД1 находится в открытом положении, поскольку его командное устройство настроено на поддержание величины давления, превышающей номинальное на 5-10%. В случае повышения выходного давления за РД-2 до величины, превышающей номинальное на 5-10%, или его отказа, происходит автоматическое включение в работу контрольного РД1. Такое сочетание регуляторов давления РД1 и РД2 повышает надежность поддержания давления в заданных пределах в магистрали потребителя и обеспечивает защиту потребителя от превышения давления. Для очистки газа на входе в модуль установлен фильтр 2, который удаляет из газа твердые частицы и сконденсированную жидкость, что повышает надежность работы модуля и увеличивает его ресурс. Пригодность фильтра к работе определяется по перепаду давлений на фильтре (не более 0,3 МПа). В качестве командных устройств могут применяться задатчики давления, редукторы и другие аналогичные устройства, питание которых обеспечивается импульсным газом, таковым может быть и газ из магистрали высокого давления. Фильтр 54, установленный в линии импульсного газа, предназначен для удаления из газа твердых частиц и капель конденсата. Таким образом, повышается надежность работы командных устройств и модуля в целом.
При отсутствии управляющего давления в полостях командного давления 14 и 32 оба регулятора находятся в закрытом положении. В РД1 клапан садиться на седло и деформируемая прокладка 8 под воздействием пружины 16 прижимается к седлу 5. В РД2 клапан садится на седло 43 и деформируемая прокладка 37 под воздействием пружины прижимается к седлу 43. Таким образом, обеспечивается герметичное разделение каналов входа 1 и выхода 46 и позволяет использовать модуль не только как регулятор давления, но и как запорное устройство, что расширяет его функциональные возможности. Деформация прокладок 8 и 37 ограничивается установочным зазором Δh, фиг.2, что предотвращает узел уплотнения (седло-клапан) от износа и разрушения и повышает ресурс работы модуля. Для изготовления деформируемой прокладки может быть использована резина, капролактан и другие эластичные материалы. Величина зазора «Δh» зависит от материала прокладки и составляет Δh=1÷10.3 мм. Зазор Δh задается регулировочной шайбой 7 в РД1 и шайбой 38 в РД2. Использование деформируемой прокладки обеспечивает высокую герметичность регуляторов давления в положении «закрыто», что позволяет использовать модуль в качестве запорного устройства, а ограничение ее деформации снижает ее износ. Таким образом, обеспечивается расширение функциональных возможностей, повышение ресурса и надежности работы модуля регуляторов давления.
Для открытия модуля регуляторов давления командные устройства 51 и 52, настроенные на определенные, заданные давления, подают управляющее давление в полости управляющего давления РД1 и РД2. От командного устройства 52 газ поступает по линии 56 через жиклер 12 полость командного давления 14 РД1 и воздействуя на поршень 15, перемещает шток 10, вследствие чего между клапаном РД1 и седлом 5 образуется зазор, через который канал входа 1 сообщается с полостью выходного давления 17 РД1. Аналогичным образом происходит открытие регулятора РД2. От командного устройства 51 газ поступает по линии 57 через штуцер 33 и жиклер 12 поступает в полость командного давления 32 РД2 и воздействуя на поршень 31, перемещает шток 44, вследствие чего между клапаном РД2 и седлом 43 образуется зазор, через который канал входа 35 РД2 сообщается с каналом выхода. Поскольку регулятор давления РД1 настроен на большее давление, чем регулятор РД2, то (при нормальной работе РД1) регулируемое редуцирование газа происходит при прохождении его через кольцевую щель, образующуюся между клапаном РД2 и седлом 43. Коническая поверхность хвостовой части штока 44 обеспечивает при его перемещении относительно седла 43 плавность регулирования расхода. В процессе работы возможна дополнительная коррекция величины управляющего давления для выбора того или иного режима работы регулятора по выходному давлению, величина которого задается потребителем газа. При увеличении расхода потребляемого газа давление в канале выхода газа 46 уменьшается, что приводит к снижению давления в полости давления обратной связи 30 РД2 и перемещению поршня 31 совместно со штоком 44 и увеличению кольцевой щели между клапаном РД2 и седлом 43, вследствие чего увеличивается и расход газа через регулятор РД2. Поршень 31 перемещается до тех пор, пока не установится равновесие, соответствующее заданному выходному давлению при новом расходе газа. При уменьшении расхода потребляемого газа давление в канале 46 выхода газа повышается, что приводит к обратному перемещению поршня 31 и уменьшению кольцевой щели между клапаном и седлом 43. Возникающие в системе колебания, обусловленные жесткостью пружины 16 и пульсацией давления в каналах входа 1 и выхода 46, гасятся за счет демпфирования давления в емкости 58, из которой поступает управляющий сигнал по линиям обратной связи 49 50 в командные устройства 51 и 52. Кроме этого регуляторы оснащены внутренними «короткими» каналами обратной связи. В РД1 это канал 18 и в РД2 канал 40. Понятие «короткая» линия должно удовлетворять условию L/a≤0,001c; где L - длина внутренней линии связи, а - скорость звука в газовой среде. Наличие внутренних, «коротких» каналов обратной связи уменьшает время реакции системы управления на вариации давления в полостях выходного давления регуляторов 17 и 46 и обеспечивает точность поддержания выходного давления и стабильность работы регуляторов без колебания выходного давления в динамических условиях эксплуатации модуля.
Кроме основного своего назначения, регулирования давления и защиты магистрали потребителя от повышения давления, модуль может работать как двухступенчатый регулятор давления, когда разница настроек по давлению РД1 и РД2 выполняет задачу ступенчатого понижения давления газа согласно условиям потребителя и как ограничитель расхода, для чего проставка 25 между редукторами РД1 и РД2 заменяется на критическое сопло (калиброванный канал).