JP2013225263A - Governor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パイロット式の整圧装置に関するものである。 The present invention relates to a pilot-type pressure regulator.
パイプラインによる都市ガス等の流体供給方式としては、上流側の高圧流体を段階的に減圧して下流側に供給する方式が採用されている。この際、減圧のための各段階には流体導管に整圧装置(ガバナ)が装備され、下流側の圧力を設定圧力に調整することが行われている。以下の説明では、整圧装置の上流側流体導管内の圧力を一次圧といい、整圧装置によって設定される下流側流体導管内の圧力を二次圧という。 As a fluid supply system for city gas or the like using a pipeline, a system is adopted in which the high-pressure fluid on the upstream side is decompressed in stages and supplied to the downstream side. At this time, each stage for pressure reduction is equipped with a pressure regulator (governor) in the fluid conduit, and the pressure on the downstream side is adjusted to the set pressure. In the following description, the pressure in the upstream fluid conduit of the pressure regulator is referred to as primary pressure, and the pressure in the downstream fluid conduit set by the pressure regulator is referred to as secondary pressure.
整圧装置は、上流側流体導管の圧力変動や負荷流量に関係なく、下流側導管内の二次圧が設定圧力になるように調整する。この整圧装置は、一般的に、比較的小さい流量の流体導管に装備される簡易な構造のものとして直動式があり、比較的大きな流量の流体導管に装備されるものとしてパイロット式がある(例えば、下記特許文献1参照)。
The pressure regulator adjusts so that the secondary pressure in the downstream conduit becomes the set pressure regardless of the pressure fluctuation of the upstream fluid conduit and the load flow rate. This pressure regulator generally has a direct acting type as a simple structure equipped in a fluid conduit having a relatively small flow rate, and a pilot type as one equipped in a fluid conduit having a relatively large flow rate. (For example, refer to
図1は、従来のパイロット式整圧装置の構成例を示した説明図(図1(a)が配管構成図であり、図1(b)が動作説明図)である。流体導管1に装備される整圧装置J10は、上流側流体導管1Aと下流側流体導管1Bの間に装備され、メインガバナ11、パイロット流路12、パイロットガバナ13を備えている。パイロット流路12は上流側流体導管1Aと下流側流体導管1Bとを連通する流路である。パイロットガバナ13は、パイロット流路12に設けられ、二次圧検出流路14を介して検出される二次圧P2に応じて開閉してパイロット流路12を流れる流体の流量を調整するものである。メインガバナ11は、パイロット流路12から分岐した制御圧流路15を介して制御圧力PCが駆動部11Aの制御圧室11A1に供給され、制御圧力PCが低下すると上流側流体導管1Aと下流側流体導管1Bとを連通する流通部の開度が大きくなるように作動する弁機構を備える。
FIG. 1 is an explanatory diagram (FIG. 1A is a piping configuration diagram, and FIG. 1B is an operation explanatory diagram) showing a configuration example of a conventional pilot pressure regulator. The pressure regulating device J10 provided in the
このような整圧装置J10によると、パイロット流路12で増幅された制御圧力PCによってメインガバナ11の開度を制御することができる。すなわち、下流側での流体消費によって二次圧P2が低下すると、パイロットガバナ13のダイヤフラムにかかる圧力が低下してパイロットガバナ13の弁が開き、パイロット流路12の流量が増加する。パイロット流路12には抵抗部(絞り)12Aが設けられているので、パイロット流路12の流量が増すと抵抗部12Aによる圧力損失が大きくなり、制御圧流路15によってメインガバナ11の駆動部11Aの制御圧室11A1に供給される制御圧力が低下する。これによってメインガバナ11の流通部の開度が大きくなり、この流通部を介して二次側に流れる流量が増加する。二次圧P2が設定圧まで上昇すると新たな定常状態に達し、二次圧P2が設定圧に保持される。
According to such a pressure regulator J10, the opening degree of the
図1(b)に示すように、前述した従来の整圧装置では、メインガバナ11の開度を制御する制御圧力PCはパイロット流路12から出力される。そして、パイロット流路12に設ける抵抗部12Aによる圧力損失でどれだけ制御圧力PCを低下させることができるかで、メインガバナの開度を高めるための駆動力Fが確保されることになる。しかしながら、制御圧力PCは一次圧P1と二次圧P2の間の圧力になるので、一次圧P1が例えば常用圧力(=700kPaG)から設計最低圧力P1’(=300kPaG)に低下すると、一次圧P1’と二次圧P2(例えば、150kPaG)の差が小さくなり、パイロット流路12の流量を大きくできず、抵抗部12Aの圧力損失による制御圧力PC’を下げることができない。よって、駆動力F’が小さくなり、メインガバナ11を全開にするだけの十分な駆動力が得られない問題が生じる。
As shown in FIG. 1 (b), the conventional Sei圧apparatus described above, the control pressure P C for controlling the opening of the
これを解消するための低差圧整圧機構としては、図2に示すようなベンチュリ方式の整圧装置がある(図2(a)が配管構成図であり、図2(b)が動作説明図である。)。図2において図1と共通する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。この方式は、パイロット流路12に設ける抵抗部にベンチュリ12Vを採用し、ベンチュリ12Vの狭窄部12V1に制御圧流路15を連通させている。これによると、ベンチュリ12Vの狭窄部12V1を高速で流体が通過することにより雰囲気圧力より低い圧力を発生させることができ、この低い圧力を制御圧力PC(PC’)として出力させることで、図2(b)に示すように、一次圧低下時(設定最低圧力P1’時)にも比較的大きな駆動力FV’を得ることができる(図示におけるFVは一次圧が比較的高い場合(常用圧力P1時)の駆動力を示している。)。
As a low differential pressure regulating mechanism for solving this problem, there is a venturi type pressure regulating device as shown in FIG. 2 (FIG. 2A is a piping configuration diagram, and FIG. 2B is an operation explanation). It is a figure.) In FIG. 2, the same parts as those in FIG. In this system, a
しかしながら、このベンチュリ方式のパイロット式整圧装置は、急激な負荷変動でメインガバナ11を急動作させる必要がある場合には、駆動部11Aに流出入する流量に遅れが生じて、制御圧力PC(PC’)が負荷変動に追従できず、動作が不安定になる傾向がある。このため、図2に示したベンチュリ方式のパイロット式整圧装置は、一次側の負荷変動が緩やかであること、或いは二次側の容量が大きく二次圧の不安定挙動が起こり難いことなど、使用条件に制限を設けざるを得ない問題があった。
However, in this venturi type pilot pressure regulator, when it is necessary to cause the
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、メインガバナの開度を制御する制御圧力をパイロット流路から出力するパイロット式の整圧装置において、一次圧と二次圧の差が小さい場合であっても、メインガバナの開度を十分な駆動力で制御することができること、急激な負荷変動に対しても安定した二次圧を得ることができ、使用条件の汎用性を高めることができること、などが本発明の目的である。 This invention makes it an example of a subject to cope with such a problem. That is, in a pilot-type pressure regulator that outputs a control pressure for controlling the opening degree of the main governor from the pilot flow path, the opening degree of the main governor is sufficient even when the difference between the primary pressure and the secondary pressure is small. It is an object of the present invention to be able to control with a sufficient driving force, to obtain a stable secondary pressure even against a sudden load fluctuation, and to enhance the versatility of use conditions.
このような目的を達成するために、本発明による整圧装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。 In order to achieve such an object, a pressure regulator according to the present invention comprises at least the following configuration.
流体導管に装備され、上流側流体導管における一次圧を下流側流体導管における二次圧に整圧する整圧装置であって、前記上流側流体導管と前記下流側流体導管の間に装備されるメインガバナと、前記上流側流体導管と前記下流側流体導管とを連通するパイロット流路とを備え、前記メインガバナは、前記パイロット流路から出力される制御圧力によって開度調整を行う駆動部を備え、前記パイロット流路に、狭窄部が前記駆動部に連通するベンチュリを設けると共に、その下流側に当該パイロット流路の流量を前記二次圧に基づいて調整するパイロットガバナを設け、前記ベンチュリと前記パイロットガバナとの連通部容量を、前記一次圧の負荷変動に対して前記制御圧力が安定化するように設定したことを特徴とする整圧装置。 A pressure regulator that is provided in a fluid conduit and regulates a primary pressure in an upstream fluid conduit to a secondary pressure in a downstream fluid conduit, the main pressure device being provided between the upstream fluid conduit and the downstream fluid conduit. A governor, and a pilot channel that communicates the upstream fluid conduit and the downstream fluid conduit, and the main governor includes a drive unit that adjusts an opening degree by a control pressure output from the pilot channel. The pilot flow path is provided with a venturi in which the constriction portion communicates with the drive section, and further provided with a pilot governor for adjusting the flow rate of the pilot flow path on the downstream side based on the secondary pressure, The pressure regulating device, wherein a communication portion capacity with a pilot governor is set so that the control pressure is stabilized against a load fluctuation of the primary pressure.
本発明は、パイロット流路に設けたベンチュリによって制御圧力を出力するパイロット式整圧装置の制御系を現実動作に即してモデル化することを創案し、急激な負荷変動に対して二次圧を安定化させる有効な設定パラメータがベンチュリとパイロットガバナの連結部容量にあることを新たに見出したものである。本発明の整圧装置によると、ベンチュリとパイロットガバナの連結部容量を適正に設定することで、ベンチュリ方式のパイロット式整圧装置の二次圧を安定化させることができるので、一次圧と二次圧の差が小さい場合であっても、メインガバナの開度を十分な駆動力で安定的に制御することができる。これによって、ベンチュリ方式のパイロット式整圧装置の汎用性を高めることができる。 The present invention has been devised to model a control system of a pilot-type pressure regulator that outputs a control pressure by a venturi provided in a pilot flow path in accordance with an actual operation, and a secondary pressure against a sudden load fluctuation. It has been newly found that the effective setting parameter for stabilizing the pressure is the joint capacity of the venturi and the pilot governor. According to the pressure regulator of the present invention, the secondary pressure of the venturi-type pilot pressure regulator can be stabilized by appropriately setting the connecting portion capacity between the venturi and the pilot governor. Even when the difference in the secondary pressure is small, the opening degree of the main governor can be stably controlled with a sufficient driving force. Thereby, the versatility of the venturi type pilot pressure regulator can be enhanced.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図3は、本発明の実施形態に係る整圧装置の制御系モデルを説明する説明図であり、図4は、図3に示した制御系モデルの動作を示すブロック線図及び伝達関数である。前述した説明と共通する部位は同一符号を付して重複説明を一部省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a control system model of the pressure regulator according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a block diagram and a transfer function showing the operation of the control system model shown in FIG. . The same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and a part of the overlapping description is omitted.
図3に示すように、本発明の実施形態に係る整圧装置の制御系は、パイロット流路12、ベンチュリ12V、パイロットガバナ13、制御圧室11A1、制御圧流路15、ベンチュリ12Vとパイロットガバナ13の連結部20を制御要素として備えている。また、パイロットガバナ13はパイロットガバナ13の開度を調整するためのノズル13aとフラッパ13bを備えている。ここで、x:フラッパ13bの変位、CPG:パイロットガバナ13の開度、P1:一次圧、PM:連結部圧力、PC:制御圧力、P2:二次圧、g1:ベンチュリ12Vの上流通過流量、gM:ベンチュリ12Vの下流通過流量、g2:パイロットガバナ13の通過流量、gC:制御流量(=g1−gM)、VM:連結部容量、VC:制御圧流路15の容積をそれぞれ示している。
As shown in FIG. 3, the control system of the pressure regulator according to the embodiment of the present invention includes a
図4(a)に示したブロック線図の各制御要素について説明する。制御要素e1は、パイロットガバナ13の開度CPGの変化要素であり、フラッパ13bの変位xが開くとパイロットガバナ13の開度CPGが開く。制御要素e2は、パイロットガバナ13の通過流量g2の変化要素であり、パイロットガバナ13の通過流量g2はパイロットガバナ13の開度CPGによって変化する。制御要素e3は、連結部圧力PMを求める伝達要素であり、連結部圧力PMは連結部容量VMに流出入する流量の積分で求められる。制御要素e4は、ベンチュリ12Vの下流通過流量gMの変化要素であり、ベンチュリ12Vの下流通過流量gMは、連結部圧力PMによって変化する。制御要素e5は、制御圧力PCを求める伝達要素であり、制御圧力PCは制御圧流路15の容積VCに流出入する流量の積分で求められる。制御要素e6は、ベンチュリ12Vの上流通過流量g1の変化要素であり、ベンチュリ12Vの上流通過流量g1はベンチュリ出力圧力(制御圧力)PCによって変化する。制御要素e7は、ベンチュリ12Vの下流通過流量gMの変化要素であり、ベンチュリ12Vの下流通過流量gMはベンチュリ出力圧力(制御圧力)PCによって変化する。制御要素e8は、パイロットガバナ13の通過流量g2の変化要素であり、パイロットガバナ13の通過流量g2はパイロットガバナ13の上流圧力(連結部圧力)PMによって変化する。
Each control element of the block diagram shown in FIG. Control element e1 is the change elements of the opening C PG Pilot governor 13, the opening C PG Pilot governor 13 is opened to open the displacement x of the
図4(a)に示したブロック線図を式変形すると、図4(b)に示した二次遅れ伝達関数が得られる。ここで、TPは下記式(a)、KVCは下記式(b)で表すことができる(ここで、Rは気体定数、θはガス温度である。)、なお、図4(b)の式を求めるに際しては、ベンチュリ12Vの圧力流量挙動が下記の実験式(1),(2)で表現できることを確認している。
When the block diagram shown in FIG. 4A is transformed into a formula, the second-order lag transfer function shown in FIG. 4B is obtained. Here, T P can be expressed by the following formula (a), and K VC can be expressed by the following formula (b) (where R is a gas constant, θ is a gas temperature), and FIG. It is confirmed that the pressure flow behavior of the
g1=C・{PC・(P1−PC)}1/2 (1)
ただし、Cはベンチュリ上流側形状に応じた係数
g 1 = C · {P C · (P 1 −P C )} 1/2 (1)
Where C is a coefficient corresponding to the upstream shape of the venturi
図5は、図4(b)に示した開ループの伝達関数の周波数特性を示したボード線図である。ここでは、連結部容量VMを変化させた場合の周波数特性の違いを示している。先ず、連結部容量VM=24mlとした整圧装置の例では、ゲイン=0dBにおける位相が−180°より小さくなっており、この場合の周波数特性が不安定であることを示している。これに対して、連結部容量VM=0.8mlとした整圧装置の例では、ゲイン=0dBにおける位相が−180°より大きくなっており、この場合の周波数特性が安定になっていることを示している。 FIG. 5 is a Bode diagram showing frequency characteristics of the transfer function of the open loop shown in FIG. Here it is shown a difference in frequency characteristics when changing the connection portion capacitance V M. First, in the example of the pressure regulator in which the coupling portion capacity V M = 24 ml, the phase at the gain = 0 dB is smaller than −180 °, which indicates that the frequency characteristic in this case is unstable. On the other hand, in the example of the pressure regulator in which the coupling portion capacity V M = 0.8 ml, the phase at the gain = 0 dB is larger than −180 °, and the frequency characteristic in this case is stable. Is shown.
このように、図4(b)に示した伝達関数の周波数特性は、他の条件を一致させて連結部容量VMを変化させた場合に、連結部容量VMを小さくするほど、ゲイン=0dBにおける位相は大きく(位相遅れは小さく)なって、位相余裕が大きくなることを確認することができる。このことから明らかなように、一次圧P1の急激な負荷変動が生じる場合であっても、連結部容量VMの設定によって、制御圧力PC及び二次圧P2を安定化させることが可能になる。特に、連結部容量VMを微小化すること、具体的には、ベンチュリ12Vの出力側とパイロットガバナ13の入力側を直結させることで、安定性の高いベンチュリ方式のパイロット式整圧装置を得ることができる。
Thus, the frequency characteristic of the transfer function shown in FIG. 4 (b), in the case of changing the connecting portion capacitance V M to match the other conditions, the smaller the coupling portion capacitance V M, gain = It can be confirmed that the phase at 0 dB is large (the phase delay is small) and the phase margin is large. As apparent from this, even if a sudden load change of the primary pressure P1 is generated by setting the connecting portion capacitance V M, the control pressure P C and the secondary pressure P 2 can be stabilized become. In particular, to miniaturize the connecting portion capacitance V M, specifically, by directly connecting the input side of the output side and the
1:流体導管,1A:上流側流体導管,1B:下流側流体導管,
11:メインガバナ,11A:駆動部,11A1:制御圧室,
12:パイロット流路,12A:抵抗部,
12V:ベンチュリ,12V1:狭窄部,
13:パイロットガバナ,13a:ノズル,13b:フラッパ,
14:二次圧検出流路,15:制御圧流路,
20:連結部,VM:連結部容量
1: fluid conduit, 1A: upstream fluid conduit, 1B: downstream fluid conduit,
11: main governor, 11A: drive unit, 11A1: control pressure chamber,
12: Pilot flow path, 12A: Resistance section,
12V: Venturi, 12V1: Stenosis,
13: Pilot governor, 13a: Nozzle, 13b: Flapper,
14: secondary pressure detection flow path, 15: control pressure flow path,
20: connecting portion, V M: connecting portion capacity
Claims (3)
前記上流側流体導管と前記下流側流体導管の間に装備されるメインガバナと、前記上流側流体導管と前記下流側流体導管とを連通するパイロット流路とを備え、
前記メインガバナは、前記パイロット流路から出力される制御圧力によって開度調整を行う駆動部を備え、
前記パイロット流路に、狭窄部が前記駆動部に連通するベンチュリを設けると共に、その下流側に当該パイロット流路の流量を前記二次圧に基づいて調整するパイロットガバナを設け、
前記ベンチュリと前記パイロットガバナとの連通部容量を、前記一次圧の負荷変動に対して前記制御圧力が安定化するように設定したことを特徴とする整圧装置。 A pressure regulator that is mounted on the fluid conduit and regulates the primary pressure in the upstream fluid conduit to the secondary pressure in the downstream fluid conduit;
A main governor provided between the upstream fluid conduit and the downstream fluid conduit; and a pilot flow path communicating the upstream fluid conduit and the downstream fluid conduit;
The main governor includes a drive unit that adjusts an opening degree by a control pressure output from the pilot flow path,
A pilot governor that adjusts the flow rate of the pilot flow path based on the secondary pressure on the downstream side of the pilot flow path is provided with a venturi in which the constriction portion communicates with the drive unit,
2. A pressure regulator according to claim 1, wherein a communicating portion capacity between the venturi and the pilot governor is set so that the control pressure is stabilized against a load fluctuation of the primary pressure.
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