Принципиальное устройство регуляторов давления

Регуляторы давления подразделяют по конструкции дросселирующего узла на одно- и двухседельные; по регулируемому выходному давления – на регулирующие перевод с высокого давления (0,6 МПа и выше) на высокое (0,3¸0,6 МПа), с высокого на среднее (свыше 0,005 МПа), с высокого на низкое (до 0,005 МПа), со среднего (до 0,3 МПа) на среднее (свыше 0,005 МПа), со среднего на низкое (до 0,005 МПа); по принципу действия – на регуляторы прямого и непрямого действия. [2]

Регуляторы прямого действия используют энергию рабочей среды для движения плунжера, т.е. энергию дросселируемого потока газа. Эти регуляторы, в свою очередь, делятся на две группы: 1) без командного узла и 2) с командным узлом (пилотом). У регуляторов первой группы изменение выходного давления воспринимается непосредственно мембранным приводом регулятора. Относительно простая конструкция и большая надежность этих регуляторов обусловили их широкое применение (регуляторы РД-32М, РД-50М, РД-50/80/100). Регуляторы второй группы конструктивно более сложны, так как имеют дополнительный регулятор управления (пилот), который использует энергию рабочей среды – дросселируемого потока газа. К пилоту подают газ входного давления, которое в нем снижается и поступает к мембранному приводу исполнительного узла, выдавая сигнал на открытие дросселирующего узла (РДУК2).

Регуляторами непрямого действия называют такие, у которых плунжер перемещается за счет энергии, подводимой извне (сжатый воздух, вода под давлением, электроэнергия).

Мембранный привод. В регуляторах давления в качестве реагирующего узла применяют простой в изготовлении мембранный привод (рис. 10.5, а), который преобразует получаемую информацию в перестановочное усилие и осуществляет перестановку связанного с ним плунжера, в результате чего происходит изменение проходного сечения дросселирующего узла, необходимое в процессе регулирования, в соответствии с полученной командной информацией. Под перестановочным усилием (моментом) понимают усилие, передаваемое мембранным приводом непосредственно или через исполнительный узел на дросселирующий. Усилие, воспринимаемое мембранным приводом под воздействием давления газа, зависит от величины этого давления и размеров активной площади мембраны. Эта площадь не является величиной постоянной, она меняется с прогибом мембраны от крайнего нижнего до крайнего верхнего положения.

Размеры жесткого диска не должны выходить за пределы, при которых чрезмерно уменьшается эластичный край (гофра) мембраны, так как это может препятствовать необходимой подвижности мембранного привода. Диаметр диска d должен составлять не более 80% от диаметра заделки мембраны D. Во всех случаях жесткий диск устанавливают со стороны, подверженной воздействию меньшего или атмосферного давления. Если мембранное устройство подвергается попеременному воздействию давления с обеих сторон, то ставят два диска (рис. 4.5, б).

Рис. 4.5. Мембранный привод с одним (а) и с двумя дисками (б):

1 - жесткий диск; 2 - гофр

Дросселирующий узел. Одним из основных элементов регулятора является дросселирующий орган (рис. 4.6), при прохождении через который происходит понижение давления и который регулирует количество протекающего через него газа в требуемом направлении. По принципу регулирующего воздействия на систему он может быть разделен на два основных узла: дросселирующий и дозирующий.

Дросселирующий узел – плунжер или заслонка – представляет собой переменное гидравлическое сопротивление. Количество проходящего через него газа зависит от степени открытия проходного сечения седла. Дозирующий узел осуществляет заданное дозирование подачи газа. В настоящее время дросселирующий узел применяется шире, несмотря на то, что применение дозирующего узла экономически более целесообразно.

Различают следующие типы дросселирующих узлов:

- заслоночные, в которых изменение пропускной способности обусловлено степенью открытия проходного сечения трубопровода при повороте на определенный угол заслонки (рис. 4.6, в);

- двухседельные, в которых изменение пропускной способности достигается поступательным перемещением плунжеров вдоль оси проходов двух седел (рис. 4.6, б);

- односедельные, в которых изменение пропускной способности достигается поступательным перемещением плунжера вдоль оси прохода одного дроссельного отверстия (седла) (рис. 4.6, а).

Наиболее распространены односедельные и двухседельные узлы. Пропускная способность этих узлов зависит от их формы и площади поперечного сечения седла для истечения потока газа. Если учитывать их равные условия работы (перепад давления и плотность газа), то двухседельные узлы обладают значительно большей суммарной площадью проходного сечения отверстий (седел), через которые происходит дросселирование потока газа.

Двухседельные дросселирующие узлы применяют в регуляторах давления с условным диаметром 25 мм и выше. Осевые усилия у них незначительные по сравнению с односедельными, так как давление, действующее на один из плунжеров, уравновешивается таким же давлением, действующим на другой плунжер. Они являются практически полностью разгруженными, благодаря чему в значительной степени устраняется влияние изменения начального давления на давление после регулятора. Однако они не обеспечивают плотного закрытия прохода для потока газа. Это объясняется сложностью подгонки обоих плунжеров одновременно к обоим седлам, а в процессе эксплуатации регулятора – неравномерностью их износа.

Плунжеры двухседельных дросселирующих узлов изготавливают с жестким и эластичным уплотнением. Плунжеры с жестким уплотнением требуют очень тщательной притирки и подгонки с седлом, но в эксплуатации они более долговечны, чем плунжеры с эластичным уплотнением, которые гарантируют более плотное закрытие. Плунжеры с жестким уплотнением применяют в регуляторах давления, установленных на ГРС, где давление газа перед регулятором очень большое.

Для улучшения герметизации дросселирующего узла широко применяют плоские тарельчатые плунжеры с эластичным уплотнением. В этом плунжере на тарелке различными способами укрепляется прокладка из эластичного материала (резины, кожи, пластмассы). Действие плунжера при закрытии седла основано на деформации эластичного уплотнения под действием уплотняющего усилия N. При небольших усилиях происходит практически полное прилегание поверхности седла, благодаря чему достигается высокая степень герметичностидросселирующего узла даже при низкой точности изготовления деталей. Жесткость корпуса плунжера оказывает запирающее усилие на эластичное уплотнение при прижатии его к седлу и препятствует выжиманию его в стороны, улучшая тем самым качество уплотнения и увеличивая срок службы узла.

Исполнительный узел преобразует энергию в перестановочное усилие и управляет дросселирующим узлом в соответствии с командной информацией. Перестановочное усилие в регуляторах давления создается за счет действия пружины или давления газа на мембранный привод.

Исполнительный узел должен удовлетворять требованиям работы системы регулирования, т.е. без искажения и задержки передавать сигнал, воспринимаемый от мембранного привода, дросселирующему узлу и обеспечивать необходимую скорость регулирован

Выполняют его в виде рычагов, клапанно-золотниковых механизмов, а также системы типа «дроссель-сопло-заслонка». При воздействии мембранного привода на дросселирующий узел через рычажный исполнительный узел плунжер перемещается пропорционально изменению положения мембранного привода. Рычажная система не нарушает и не должна нарушать линейности цикла при воздействии на дросселирующий узел. Она в сочленении с дросселирующим узлом должна отвечать следующим требованиям: в ней не должно быть люфтов; все элементы соединения, передающие перестановочное усилие, должны быть достаточно жесткими, чтобы их деформация не вносила погрешности в характеристику хода; сочленения должны быть удобными для сборки, разборки и ремонта.

Исполнительный узел клапанно-золотникового типа показан на рис. 4.7. При закрытом верхнем золотнике Р₁ = Р₀, а при закрытом нижнем золотнике Р₀ = 0. Но в процессе работы регулятора золотник находится в третьем положении, когда открыты верхний и нижний золотники. В данном случае одна часть потока газа поступает на мембранный привод, а другая идет на сброс. При этом вся система регулирования находится в равновесии. При возникновении возмущения один из золотников закрывается до восстановления равновесия в системе. Этот исполнительный узел применен в регуляторах типа РДС.

Импульсивный трубопровод предназначен для подачи командных, исполнительных и корректирующих сигналов, посредством которых осуществляется взаимная связь между всеми узлами регулятора давления и системой регулирования. Применяемая связь обеспечивает устойчивую работу регуляторов. Она контролирует действительное состояние системы регулирования и вносит соответствующие коррективы в работу регулятора.

Импульсивные трубопроводы должны иметь определенные диаметр и длину, должны быть герметичны, так как они передают сигнал определенного давления с определенной скоростью, который оказывает значительное влияние на качественную работу процесса регулирования.

Присоединять импульсивные трубопроводы регулятора давления, ПЗУ и ПСУ необходимо в определенной точке, в которой поток газа имеет установившиеся постоянные давление и скорость.

Если на пути движения газа в трубопроводе меняются участки, сечение которых значительно уменьшено по сравнению с сечением трубопровода, то на выходе из этого участка давление газа становится меньше. Иногда целесообразнее изменить параметры командного сигнала, чтобы привести в равновесное состояние систему автоматического регулирования, убрать возмущения.

Для этого поток газа в импульсивных трубопроводах дросселируют, изменяя скорость и давление командного сигнала, поступающего к регулятору (устанавливают дроссели или не полностью закрывают имеющиеся запорные устройства). Искаженный командный сигнал оказывает положительное влияние и стабилизирует работу систему автоматического регулирования. Внутри трубопровода с поперечным сечением F установлена диафрагма (дроссель), имеющая отверстие небольшого сечения. По трубопроводу течет газ от сечения I - I к сечению II - II через отверстие в диафрагме (рис. 4.8). В отверстиидиафрагмы скорость газа возрастает от V₁ до V₀, а давление понижается. После отверстия скорость газа V₂ и давление Р₂ восстановятся частично и будут меньше соответственно на DV и DР₁, чем было перед диафрагмой.

Рис. 4.8. Дросселирование потока газа в импульсивном трубопроводе с

помощью установленного в нем дросселя

1 - импульсивный трубопровод; 2 - дроссель

Этот факт объясняется тем, что при прохождении газа через суженное отверстие возникают потери энергии. В конструкции всех регуляторов давления, а также в их работе очень большое значение имеют пружины. В регуляторах установлены пружины сжатия. Предпочтительнее применять пружины с индексом С от 3 до 10; использовать пружины с индексом C > 10 теряют устойчивость из-за выпучивания.

Индекс С можно рассчитать по формуле

, (4.9)

где D_ср – средний диаметр пружины (расчетный), мм; d_пр – диаметр проката материала пружины, мм.

Материал, из которого изготавливают пружины, должен обладать после соответствующей термообработки устойчивыми во времениупругими свойствами: значительной прочностью как статистической, так и усталостной; большим сопротивлением ударным нагрузкам; способностью выдерживать достаточно большие пластические деформации.