NO20131401A1 - Strømningskontrollventil - Google Patents

Description

STRØMNINGSKONTROLLVENTIL

Teknisk område

Oppfinnelsen angår en strømningskontrollventil som, ved oppkopling mot en forsyning med et trykksatt fluid, er innrettet til presis og trinnløs kontroll av mengden som passerer gjennom ventilen, og som derved kan injiseres inn i ulike anordninger eller prosesser.

Strømningsraten gjennom denne typen ventiler er fortrinnsvis basert på at man oppnår en definert massestrøm når et fluid passerer en fast dyseåpning med et konstant trykkfall. Ventilen bør ha en utførelse som medfører at strømningsraten i hovedsak er upåvirket av trykkvariasjoner i ventilens innløp så vel som i ventilens utløp.

Bakgrunn

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Strømningskontrollventilen ifølge oppfinnelsen er i første rekke konstruert for å injise-re kjemikalier inn i oljebrønner eller i ulike prosesser hvor mottrykket kan være av størrelse flere hundre bara og være varierende over tid. Det er et uttalt behov i oljeindustrien for strømningskontrollventiler som har bedre repeterbarhet og bedre strøm-ningsstabilitet enn de ventiler som i dag er tilgjengelig. Spesielt gjelder dette når det er behov for injeksjonsrater ned mot 2-3 liter pr døgn. Angjeldende oppfinnelse er tilveiebrakt for å ivareta dette behovet, og har i så måte demonstrert gode egenska-per. Oppfinnelsen er generelt sett egnet til strømningskontroll av gass så vel som væske, og anvendelsen er således ikke begrenset til oljeindustrien eller til flytende medier. Den følgende beskrivelse er imidlertid forenklet ved at det kun refereres til fluider i væskeform.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende søknaden tilveiebringer en strømningskontrollventil med forbedret re pete rba r het og strømningsstabilitet. Strømningskontrollventilen ifølge oppfinnelsen er definert i de vedlagte krav og i det følgende.

I et aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen en justerbar strømningskon-trollventil for styring av strømningen fra en fluidforsyningsenhet, hvor strømningskon-trollventilen omfatter en trykkontrollenhet og en strømningskontrollenhet, et første innløp for tilkobling til fluidforsyningsenheten, og et utløp, og hvor trykkontrollenheten omfatter et første kammer og et andre kammer adskilt ved et første bevegelig element som er samvirkende forbundet til en første forbelastningsanordning, kjenneteg-net ved at

det første kammeret er i fluidkommunikasjon med det første innløpet og med strømningskontrollenheten, hvor

en første ventilsammenstilling omfattende et første reguleringselement er anordnet mellom nevnte innløp og det første kammeret,

det første reguleringselementet er samvirkende forbundet med det første bevegelige elementet, slik at den første ventilsammenstillingen styres av det førs-te bevegelige elementets posisjon slik at fluid i det første kammeret har et forhåndsbestemt overtrykk i forhold til fluidtrykket i det andre kammeret ved bruk, og

det andre kammeret er i fluidkommunikasjon med utløpet til strømningskon-trollventilen og omfatter et andre innløp i fluidkommunikasjon med strøm-ningskontrollenheten; og - strømningskontrollenheten omfatter et tredje kammer og et fjerde kammer adskilt ved et andre bevegelig element som er samvirkende forbundet til en første forbelastningsanordning, hvor

det tredje kammeret er i fluidkommunikasjon med det første kammeret,

det fjerde kammeret er i fluid kommunikasjon med det første kammeret via en dyse, og med det andre kammeret via en andre ventilsammenstilling omfattende et andre reguleringselement, og

det andre reguleringselementet er samvirkende forbundet med det andre bevegelige elementet slik at den andre ventilsammenstillingen styres av det

andre bevegelige elementets posisjon.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen omfatter det første og/eller det andre bevegelige elementet et stempel.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen påfører den første forbelastningsanordningen det første bevegelige elementet en motstand mot å bevege seg mot det andre kammeret. Under bruk vil med andre ord det første bevegelige elementet være forbelastet i en retning mot det første kammeret.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen påfører den andre forbelastningsanordningen det andre bevegelige elementet en motstand mot å bevege seg mot det fjerde kammeret. Under bruk vil med andre ord det andre bevegelige elementet være forbelastet i en retning mot det tredje kammeret I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen er den første og/eller den andre forbelastningsanordningen en fjær. Andre mulige forbelastningsan-ordninger inkluderer for eksempel en gassfylt sylinder/stempel-sammenstilling.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen er det andre bevegelige elementet samvirkende koblet til en reguleringsanordning i stand til å regulere avstanden mellom nevnte element og den andre ventilsammenstillingen, og/eller forbelastningen på nevnte element.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen omfatter reguleringsanordningen et dreibart håndtak, hvor håndtaket er knyttet til en aksling som er samvirkende koblet til det andre bevegelige elementet.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen omfatter reguleringsanordningen en hylse som er samvirkende koblet til det andre bevegelige elementet ved en fjær.

I en utførelsesform av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen omfatter nevnte ventil en dyse med i det minste et hull som er innsnevret av et gjennomgående avlangt element. Det avlange elementet kan for eksempel være en metalltråd eller tilsvarende.

Kort beskrivelse av tegningene

For den videre detaljerte forklaringen av virkemåten til en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen, tas det utgangspunkt i figurene 1-4 der;

Fig. 1 viser en prinsippskisse for samvirket mellom en strømningskontrollenhet og en trykkontrollenhet i en kjent utførelse av en strømningskontrollven-til; Fig. 2 viser en prinsippskisse for samvirket mellom en trykkontrollenhet og en strømningskontrollenhet ifølge foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 viser et aksialsnitt av en komplett strømningskontrollventil ifølge foreliggende oppfinnelse; og Fig. 4 viser i større målestokk aksialsnitt av alternative utførelser av en dysean-ordning for bruk i en strømningskontrollventil.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Det er generelt sett store tekniske utfordringer knyttet til design av strømningskon-trollventiler som skal operere med høye trykk og regulere strømningsnivået for et me-dium med liten kompressibilitet. I denne situasjonen har man normalt ikke noe stabilt referansetrykk som kan være til hjelp for å frembringe et lavt og stabilt trykkfall over en dyseåpning. De trykk man i utgangspunktet må forholde seg til er ventilens forsyningstrykk og injeksjonstrykket (= ventilens utløpstrykk). Disse trykknivåene kan ligge på flere hundre bar og ha uforutsigbare variasjoner. For å sikre en stabil strøm-ningsrate er det viktig at ventilen påvirkes lite av slike variasjoner, og at den har en egenstabilitet som forhindrer egensvingninger.

Det er generelt sett ønskelig å kunne holde et lavt trykkfall over dysen. I motsatt fall vil spesielt lave strømningsrater kreve en meget trang dyseåpning, noe som skaper

betydelig risiko for at dysen tettes igjen av forurensninger. Trykkforskjellen mellom en strømningskontrollventils innløp og utløp (= injeksjonlinjen) er normalt stor, og trykkfallet som skal opprettholdes over dysen, vil være beskjedent i forhold. Dette gjør det nødvendig å ha to kontrollenheter innebygget i ventilen; en strømningskontrollenhet som styrer trykkfallet over dysen - dvs. strømningsraten, og en trykkontrollenhet som skal styre øvrige trykkbetingelser.

Fig. 1 viser en prinsippskisse av en kjent strømningskontrollventil, basert på EP 1110132 (Al). Både strømningskontrollenheten og trykkontrollenheten i denne ventilen benytter væskens (fluidets) forsyningstrykk som referanse for sin reguleringsfunk-sjon. Disse to enhetene er i sin virkemåte å betrakte som dumpeventiler. Tilført væske dirigeres gjennom en dyse 3 i strømningskontrollenheten 7, hvor en justering av en fjærs 4 spenning styrer en første ventilsammenstilling 5 slik at trykkfallet over dysen 3 samsvarer med ønsket strømningsnivå - hvorpå denne væskestrømmen dirigeres inn i trykkontrollenheten 8 hvor resterende trykkfall skjer, idet denne væskestrømmen dumpes videre til utløpet 12 via en andre ventilsammenstilling 11.

En ønsket strømningsrate på 2 liter/døgn tilsvarer 0,02 cm<3>per sekund. Det innebærer at ventilbevegelser er særdeles små, og det er derfor viktig at strømningskontroll-enheten 7 og trykkontrollenheten 8 i størst mulig grad kan operere som selvstendige enheter - som ikke kan virke forstyrrende inn på hverandres funksjon. I utviklingen av angjeldende oppfinnelse er det lagt stor vekt på dette.

Figur 2 viser en prinsippskisse av en strømningskontrollventil ifølge oppfinnelsen. Komponenter med tilsvarende funksjon som i fig. 1 er gitt samme referansenummer. Trykkontrollenheten 8 fungerer som en tradisjonell trykkreduksjonsventil som er innrettet til å holde trykket i et første kammer (mellomkammer) I på anslagsvis 5 bar overtrykk i forhold til trykket ved utløpet 12. Trykket i et andre kammer II styres ved et samvirke mellom et første, forbelastet element 9 (her et lekkasjefritt, forskyvbart stempel 9 påvirket av en fjær 10) og et reguleringselement (for eksempel en manø-verstang) på en ventilsammenstilling 11. Et fallende trykk i det andre kammeret II vil medføre at det forbelastede elementet 9 forskyves oppover og kompenserer ved å åpne for en begrenset tilførsel av fluid fra et innløp 1. Et sete 14 i ventilsammenstillingen 11 har lite åpningstverrsnitt jevnført med dimensjonen på det forbelastede elementet 9 for å gjøre trykkreguleringen mest mulig stabil. Trykkreduksjonsventiler av denne type vil være basert på metall til metalltetning som med bruk av dagens teknologi gir god driftssikkerhet under betingelser som innebærer store trykkfall og små strømningsraten Differansetrykket som frembringes ved hjelp av trykkontrollenheten 8 blir i sin tur utnyttet av strømningskontrollenheten 7 til å frembringe et stabilt differansetrykk over dysen 3 og derved etablere ønsket strømningsrate. Det er pri-mært ønske om å basere seg på dyseåpning som gir ønsket variasjon i strømningsra-ten innenfor et differansetrykk i området 0-1 bar. Med utgangspunkt i at trykkreduk-sjonen fortrinnsvis frembringer et differansetrykk på 5 bar i forhold til trykket ved utløpet 12, må også totalt trykkfall over strømningskontrollenheten 7 være 5 bar, hvilket innebærer at strømningskontrollenheten 7 må omfatte en ventilsammenstilling som kan absorbere en trykkforskjell varierende fra 5 til 4 bar.

Prinsippet for en utførelse av strømningskontrollenheten 7 fremgår av fig. 2. Denne omfatter et andre forbelastet element 6 (her et lekkasjefritt forskyvbart stempel 6 påvirket av en fjær 4) med et sentralt anordnet reguleringselement 5 for en andre ventilsammenstilling, hvor reguleringselementet 5 kan ligge tettende an mot et sete 13. Undersiden av stempelet 6 avgrenser et tredje kammer III som er i åpen fluidforbindelse med det første kammer I i trykkontrollenheten 8, mens et fjerde kammer IV på oversiden av stempelet 6 er i fluidforbindelse med det første kammeret I via en dyse 3. Forbelastningsanordningen (fjæren 4) er innrettet for å skape en nedadrettet kraft på stemplet 6. Denne kraften øker når et justeringsratt 2 roteres og en hylse 15 skrues nedover - idet en blokkering 16 hindrer hylsen 15 i å rotere. Tilsvarende reduseres kraften når justeringsrattet 2 skrus andre veien. Denne kraften søker å trekke stemplet 6 nedover og derved åpne ventilsammenstillingen ved å forskyve reguleringselementet 5 bort fra setet 13. Forutsetningen for at dette kan skje er at forbelastningen (fjærspennet) er tilstrekkelig stort til å overvinne den oppadrettede kraften som frembringes mot stemplet 6 når trykket i det fjerde kammeret IV er lavere enn i det tredje kammeret III. Ved åpning av ventilsammenstillingen 5, 13 avgis væske fra det fjerde kammeret IV til utløpet 12 via et andre innløp 12' i det andre kammeret III med den følge at trykket i det fjerde kammeret IV reduseres. Dette samvirket medfø-rer at trykkforskjellen mellom det tredje kammeret III og det fjerde kammeret IV sta-biliserer seg på et gitt nivå som er bestemt av forbelastningen (spennet på fjæren 4). Trykkforskjellen mellom disse kamrene III, IV er identisk med trykkfallet over dysen 3, og man oppnår derved en jevn tilførsel av fluid fra det første kammeret I til det fjerde kammeret IV via dysen 3. Denne tilførselen er identisk med fluidmengden som avgis fra det fjerde kammeret IV til utløpet 12 og videre ut av strømningskontrollven-tilen.

Stemplets 6 forskyvning under operasjon er til enhver tid svært liten, slik at det opp-står minimale friksjonskrefter i en ikke vist tetningsring rundt stemplet 6. Den nevnte balansen påvirkes også lite av at det kreves en viss kraft for å løfte reguleringselementet 5 opp fra sitt sete 13. Denne kraften skyldes trykkforskjellen mellom det fjerde kammeret IV og utløpet 12 og vil som nevnt kunne variere fra 5 til 4 bar. Ettersom arealet på setet 13 typisk er av størrelse 1/800 av stempelarealet 6, vil denne kraften være uten reell betydning. Trykkforskjellen over dysen 3 er derfor i realiteten entydig bestemt av innstilt forbelastning (fjærspenn). I utførelsen som er vist i fig. 2, er dysen 3 anordnet på en kanal som forbinder det første kammeret I med det fjerde kammeret IV. Denne dysen 3 kunne vært anordnet i stempelet 6. Det er imidlertid fordelaktig at dysen enkelt kan skiftes ut - eksempelvis for å kunne endre reguleringsområdet. En foretrukket utførelse er derfor å anordne den i et ventilhus slik at den kan skiftes uten at strømningskontrollventilen dermed må tas fra hverandre (jfr. fig. 3).

Strømningskontrollenheten 7 har en viktig egenskap ved at den kan gå i lukket posisjon uavhengig av trykket i væsken. For å gå fra åpen til lukket posisjon kreves en væskeforflytning fra det fjerde kammeret IV til det tredje kammeret III, og det vil kunne skje via dysen 3 uansett trykkforhold. Det er ønskelig at strømningsraten kan settes til null (= stengt ventil). For å sikre dette er det i en foretrukket utførelse (jfr. fig. 3) av strømningskontrollenheten 7 anordnet en lukkefjær 18 som etablerer en liten ekstra lukkekraft når man har fjernet spennet i fjæren 4. Fig. 3 viser et aksialsnitt av komplett strømningskontrollventil i en foretrukket utførel-se. Henvisningstallene samsvarer med fig. 2. Et ventilhus består av tre seksjoner som er holdt sammen av gjennomgående (ikke viste) skruer. Setet 13 for ventilsammenstillingen 5 kan med fordel være mykt - eksempelvis være basert på bruk av en o-ring. For å sikre at setematerialet ikke utsettes for skadelig mekanisk påvirkning, er det anordnet en myk fjær 17 som gjør at reguleringselementet 5 gir etter dersom stemplet 6 skulle bli presset mot sin absolutt øverste posisjon. Fig. 4 a og 4b viser relevante utførelser av dysen 3 for strømningskontrollenheten 7. Denne type utførelser velges for å minimalisere faren for at dyseåpningen skal tilstop-pes - idet strømningskontrollventilen i så fall ikke lenger vil fungere. Hvis dyseåpningen består av en enkelt åpning som et lite sirkulært hull, kreves det kun en partikkel for å tilstoppe dysen. En dyseåpning med samme lysåpning, men basert på et større hull som snevres inn av eksempelvis en gjennomgående metalltråd 19 til en ringfor-met åpning, kan ikke tettes på tilsvarende vis. Det er generelt sett ønskelig å kunne oppnå en gitt strømningsrate med bruk av størst mulig dyseåpning. Utførelsen vist i fig.4b er således en foretrukket utførelse av dysen 3. Denne er basert på en serie med separate dyser i form av sirkulære skiveelementer 20 med en sentrert dyseåpning som er snevret inn av en felles gjennomgående metalltråd 19. Det er lagt inn tetningsanordninger 21 mellom skiveelementene 20, eksempelvis i form av o-ringer, for å sikre at fluidet ikke strømmer utenom dyseåp-ningene.

Claims (9)

1. En justerbar strømningskontrollventil for styring av strømningen fra en fluidforsyningsenhet, hvor strømningskontrollventilen omfatter en trykkontrollenhet (8) og en strømningskontrollenhet (7), et første innløp (1) for tilkobling til fluidforsyningsenheten, og et utløp (12), og hvor trykkontrollenheten (8) omfatter et første kammer (I) og et andre kammer (II) adskilt ved et første bevegelig element (9) som er samvirkende forbundet til en første forbelastningsanordning (10),karakterisert vedat det første kammeret (I) er i fluidkommunikasjon med det første inn-løpet (1) og med strømningskontrollenheten (7), hvor en første ventilsammenstilling omfattende et første reguleringselement (11) er anordnet mellom nevnte innløp (1) og det første kammeret (I), det første reguleringselementet (11) er samvirkende forbundet med det første bevegelige elementet (9) slik at den første ventilsammenstillingen styres av det første bevegelige elementets (9) posisjon slik at fluid i det første kammeret (I) har et forhåndsbestemt overtrykk i forhold til fluidtrykket i det andre kammeret (II) ved bruk, og det andre kammeret (II) er i fluidkommunikasjon med utløpet (12) og omfatter et andre innløp (12') i fluidkommunikasjon med strømningskon-trollenheten (7); og strømningskontrollenheten (7) omfatter et tredje kammer (III) og et fjerde kammer (IV) adskilt ved et andre bevegelig element (6) som er samvirkende forbundet til en andre forbelastningsanordning (4), hvor det tredje kammeret (III) er i fluidkommunikasjon med det første kammeret (I), det fjerde kammeret (IV) er i fluidkommunikasjon med det første kammeret (I) via en dyse (3) og med det andre kammeret (II) via en andre ventilsammenstilling omfattende et andre reguleringselement (5), og det andre reguleringselementet (5) er samvirkende forbundet med det andre bevegelige elementet (6) slik at den andre ventilsammenstillingen styres av det andre bevegelige elementets (6) posisjon.

2. En strømningskontrollventil ifølge krav 1, hvor det første og/eller det andre bevegelige elementet (9, 6) omfatter et stempel.

3. En strømningskontrollventil ifølge et av de forutgående krav, hvor den første forbelastningsanordningen (10) påfører det første bevegelige elementet (9) en motstand mot å bevege seg mot det andre kammeret (II).

4. En strømningskontrollventil ifølge et av de forutgående krav, hvor den andre forbelastningsanordningen (4) påfører det andre bevegelige elementet (6) en motstand mot å bevege seg mot det fjerde kammeret (IV).

5. En strømningskontrollventil ifølge et av de forutgående krav, hvor den første og/eller den andre forbelastningsanordningen (10, 4) er en fjær.

6. En strømningskontrollventil ifølge et av de forutgående krav, hvor det andre bevegelige elementet (6) er samvirkende koblet til en reguleringsanordning (2, 15) i stand til å regulere avstanden mellom nevnte element (6) og den andre ventilsammenstillingen og/eller forbelastningen på nevnte element (6).

7. En strømningskontrollventil ifølge krav 6, hvor reguleringsanordningen omfatter et dreibart håndtak (2), hvor håndtaket er knyttet til en aksling som er samvirkende koblet til det andre bevegelige elementet (6).

8. En strømningskontrollventil ifølge krav 6 eller 7, hvor reguleringsanordningen omfatter en hylse (15) samvirkende koblet til det andre bevegelige elementet (6) ved en fjær (4).

9. En strømningskontrollventil ifølge krav 1, omfattende en dyse (3) med i det minste en enkeltdyse omfattende et hull som er innsnevret av et gjennomgående avlangt element (19), som for eksempel en metalltråd eller tilsvarende.