NO313601B1 - Trykkreguleringsventil for styring av oppstroms fluidtrykk - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en trykkreguleringsventil for styring av et oppstrøms fluidtrykk i forhold til et referansetrykk ved å regulere fluidmengden som slippes gjennom ventilen, omfattende et hus med et oppstrøms innløp og et nedstrøms utløp for fluidet, et trykkfølsomt element for avføling av trykkforskjellen mellom oppstrømstrykket og referanse-trykket, og et fjærbelastet reguleringsstempel som i samvirke med et sete er innrettet til å regulere en strømningspassasje mellom innløpet og utløpet, idet stempelet er operativt koplet til det trykkfølsomme element for å endre sin stilling i forhold til setet i samsvar med stillingen av det trykkfølsomme element.

Trykkreguleringsventilen ifølge oppfinnelsen er utviklet for å kunne opprettholde en definert trykkforskjell mellom et oppstrømsfluid og et annet fluid som har et ustabilt trykk. Den er spesielt utviklet for det formål å kunne opprettholde en nøyaktig trykkforskjell mellom to fluider som strømmer i atskilte løp i gass-difjfunderende membraner, idet slike membraner er svært kostbare og ikke tåler at den nevnte trykkforskjell overskrider gitte verdier. Generelt sett er oppfinnelsen anvendelig i de fleste situasjoner der det er viktig å opprettholde en nøyaktig trykkforskjell mellom fluider, eller å holde konstant trykk på et fluid i forhold til et gitt referansetrykk.

Et aktuelt anvendelsesområde for trykkreguleringsventilen ifølge oppfinnelsen er å styre trykkforskjellen over gassdifrunderende membraner som brukes til å fjerne CO2 fra naturgass. Den etterfølgende beskrivelse tar for enkelhets skyld utgangspunkt i en slik anvendelse, Det er her naturlig å la naturgassen representere referansetrykket, idet fluidet som trykkreguleringsventilen styrer, fortrinnsvis er en væske (eksempelvis amin) med stor evne til å oppta C02.

For å oppnå optimal diffusjonshastighet, må man avpasse dimensjonene på den gassdifrunderende membran til strømningshastigheten av henholdsvis naturgassen og den CCVabsorberende væske. Væskens sfrømningshastighet styres fortrinnsvis av en pumpe, idet man ved hjelp av en trykkreguleringsventil ifølge oppfinnelsen sørger for at væsken, ved passering gjennom den gassdifrunderende membran, har ønsket trykk i forhold til naturgassen. Dette besørges fortrinnsvis ved at man anordner en struping på væskelinjen oppstrøms av den gassdifrunderende membran, og at man nedstrøms av denne membran anordner en tiykkregulermgsventil ifølge oppfinnelsen for å styre sfrømningsmotstanden slik at væsketrykket til enhver tid har ønsket verdi.

Generelt vil det være naturlig å sørge for at ønsket væsketrykk etableres i området mellom en trykkreguleringsventil og en struping, idet regulatoren styrer gjermomsrfømningen av fluidet slik at man oppnår det ønskede trykknivå i dette område. Prinsipielt sett kan man velge å anordne en tryWcreguleringsventil oppstrøms

av den nevnte struping. I så fall må trykkreguleringsventilen være innrettet til å regulere nedstrømstrykket til ønsket verdi.

Trykket av naturgassen kan typisk være av størrelse 70-100 bar. Gassdifrunderende membraner kan tåle et høyt totaltrykk, men kunne skades dersom trykkforskjellen mellom naturgassen og aminet overstiger for eksempel 0,7 bar. For å optimalisere gassdiffusjonen, er det ønskelig at det opprettholdes en viss trykkforskjell på de to fluider. Det er følgelig svært viktig at en slik tiyld<reguleringsventil fungerer optimalt.

På markedet finnes det mange typer av regulatorer som er konstruert for å utføre tilsvarende reguleringsfunksjoner. Den generelle betegnelse på disse er tilbaketrykksregulatorer (back pressure regulators). Imidlertid har ingen av de regulatorer som man kjenner til, kunnet oppvise de ønskede egenskaper med hensyn til å gi stabil og glatt trykkregulering, samtidig som de klarer å korrigere tilstrekkelig raskt på avvik slik at man unngår trykkpulser som kan skade de kostbare gassdifrunderende membraner.

Regdeiingsfunksjonen til en trykkregulator vil alltid i en viss grad bh påvirket av trykk- og strømningsvariasjoner, ettersom slike variasjoner endrer kraften som må genereres for å korrigere for avvik.

På denne bakgrunn er formålet med oppfinnelsen å tilveiebringe en tryld<reguleringsventil som er uten de ovenfor omtalte ulemper, idet ventilen gir stabil og glatt trykkregulering samtidig som den klarer å korrigere tilstrekkelig raskt på avvik slik at skadelige trykkpulser unngås, og hvor trykk- og srrørnningsvariasjoner har særlig Uten innvirkning på regulermgsfunksjonen.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt en trykkregulerings-ventil av den innledningsvis angitte type som er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk som er angitt i patentkrav 1.

Fordelaktige utførelser av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende med utførelseseksempler under henvisning til tegningene der.

figur 1 viser et skjematisk riss av en foretrukket utførelse av trykkregulatoren ifølge oppfinnelsen, anvendt for stort eller middels trykkforskjell mellom oppstrøms- og nedstrøms løp.

figur 2 viser et utsnitt av en reguleringsmekanisme som vist i fig. 1 i to ulike faser av reguleringen.

figur 3 viser et forstørret utsnitt av trykkreguleringsventilen som skal illustrere hvordan pilotlegemet og dens føring kan designes slik at regulatoren kan være fullstendig lekkasjefri i lukket posisjon.

For den videre beskrivelse vises til figur 1 som viser regulatoren i delvis åpen posisjon. Reguleringsenheten er bygget inn i et hus 2 med et innløp 1 og et utløp 19. Fluidstrømmen er bestemt av posisjonen til reguleringsstemplet 20 i forhold til det ring-formede setet 17. Fluidet passerer en ringformet passasje 23 på utsiden av reguleringsstemplet 20, videre forbi passasjen mellom setet 17 og underkant av reguleringsstemplet 20 for deretter å passere gjennom portene 16 og inn mot senter av utløpet 19. Fluidstrømmen er vist ved piler.

Fjæren 21 utøver en kraft som til enhver tid søker å presse reguleringsstemplet 20 ned mot setet 17. For å bevege reguleringsstemplet i forhold til dette setet kreves at man endrer volumet på kammeret 11, som er avgrenset av øvre endeflate på føringen 22 og indre endeflate på reguleringsstemplet 20. Reguleringsstemplet trekkes vekk fra setet ved at pilotlegemet 15 løftes slik at det åpnes for en tilførsel av fluid til kammeret 11 fra innløpet 1 gjennom kanalen 9, videre gjennom klaringen mellom pilotlegemet 15 og dens føring 13, og inn i kammeret 11 via kanalen 12. Tilsvarende beveges reguleringsstemplet tilbake mot sitt sete når pilotlegemet 15 skyves nedover slik at fluid fra kammeret 11 dumpes til nedstrøms løp via klaringen mellom pilotlegemet 15 og dens føring 13 og videre via kanalen 14

Fluidstrømmen inn- og ut av kammer 11 er styrt av posisjonen til reguleringsstemplet 20 i forhold til pilotlegemet, som igjen er bestemt av posisjonen til følermembranet 7. Følermembranets posisjon er i sin tur bestemt av trykket i ventilhuset i forhold til spennet fra fjæren 3 og trykket fra naturgassen som er åpen forbindelse med innløpet 4. Hvis trykket i ventilhuset overstiger ønsket verdi vil membranet umiddelbart løftes opp og trekke med seg pilotlegemet, og derved stemplet 20, slik at man får korrigert væsketrykket ved å øke væskestrømmen. Størrelse og retning på spennet fra fjæren 3 bestemmer væskens trykknivå i forhold til naturgassen.

Figur 2 a viser et forstørret utsnitt av en reguleringsmekanisme som vist i fig. 1 i en situasjon hvor pilotlegemet 15 er løftet opp av følermembranet 7 slik at fluid dirigeres inn i kammer 11 med den følge at stemplet 20 umiddelbart følger etter. Figur 2 b viser tilsvarende et forstørret utsnitt av reguleringsmekanismen idet pilotlegemet er skjøver nedover slik at det dumpes fluid fra kammer 11 til regulatorens utløp 19 med den følge at stemplet beveger seg mot lukket posisjon. Fluidstrømmen i reguleringsmekanismen er vist med piler. Den hydrauliske forbindelsen mellom pilotlegemet og stemplet er meget sterkt. Straks pilotlegemet beveges i en retning vil stemplet umiddelbart følge etter. I en normal arbeidssituasjon for trykkregulatoren vil følermembranet, og derved pilotlegemet og reguleringsstemplet finne en likevektsposisjon som innebærer at fluidmengden i kammer 11 er tilnærmet stabil, idet det er en liten permanent fluidstrøm i den hile klaringen mellom pilotlegemet og dens føringskanal 13.

I en utførelse som vist i figurene 1-2 er det valgt å bruke metall til metall til metall tetning mellom reguleringsstempel og sete. Dette kan slipes slik at det er tilnærmet gasstett. Alternativt kan tetningsringen 17 være av et mykt materiale. I figurene er det en liten klaring i føringen mellom pilotlegemet 15 og dens føring 13 som innebærer at det alltid er en viss fluidstrøm forbi pilotlegemet. Det er imidlertid mulig å anordne en metall til metall tetning , eller alternativt en myk tetning, som bevirker at fluidstrømmen forbi pilotlegemet avstenges fullstendig når trykkregulatoren går mot lukket stilling slik regulatoren er absolutt lekksjefri. Dette er vist i i fig. 3 der det er anordnet et sete 24..

Det er anordnet en trykkuthgningskanal 18 i senter av pilotlegemet 15. Denne kanalen som sørger for at nedstrøms kammer 10 har samme trykk som utløpet 19. Dette innebærer at nedstrøms trykk også påvirker den den del av pilotlegemets endeflate som vender mot kammer 10. Trykkforskjellen mellom oppstrøms- og nedstrøms trykk vil derfor i realiteten kun påvirker pilotlegemet på et areal lik tverrsnittet av pilotlegemets manøverarm 8. Følgelig er pilotlegemet meget effektivt trykkbalansert, og regulatoren har derfor evnen til meget stabilt å opprettholde ønsket trykk i fluidet som strømmer gjennom regulatoren på undersiden av følermembranen 7.

Claims (6)

1. Trykkreguleringsventil for styring av et oppstrøms fluidtrykk i forhold til et referansetrykk ved å regulere fluidmengden som slippes gjennom ventilen, omfattende et hus (2) med et oppstrøms innløp (1) og et nedstrøms utløp (19) for fluidet, et trykkfølsomt element (7) for avføling av trykkforskjellen mellom oppstrømstrykket og referansetrykket, og et fjærbelastet reguleringsstempel (20) som i samvirke med et sete (17) er innrettet til å regulere en strørnningspassasje (23) mellom innløpet (1) og utløpet (19), idet stempelet (20) er operativt koplet til det trykkfølsomme element (7) for å endre sin stilling i forhold til setet (17) i samsvar med stillingen av det trykkfølsomme element (7), karakterisert ved at reguleringsstempelet (20) er glidbart anordnet på utsiden av en føringshylse (22) med åpninger (16) for strømning av fluid fra strømningspassasjen (23) til utløpet (19), og at ventilen omfatter et kammer (11) som er avgrenset mellom en endeflate av føringshylsen (22) og en indre endeflate av stempelet (20), og et pilotlegeme (15) som er mekanisk koplet til det trykkfølsomme element (7) og er innrettet til å åpne kanaler (12 hhv. 14) for tilførsel av fluid fra innløpet (1) eller avgivelse av fluid fra kammeret (11) i avhengighet av pilotlegemets (15) stilling i forhold til regulerings-stempelet (20), slik at stempelet endrer sin posisjon i avhengighet av kammervolumet og dermed i nøyaktig samsvar med posisjonen av det trykkfølsomme element (7).

2. Trykkreguleringsventil ifølge krav 1, karakterisert ved at åpningene (16) i føringshylsen (22) utgjøres av symmetriske anordnede porter som dirigerer fluid fra sttømningspassasjen (23) radialt inn mot sentrum av nedstrømsutløpet (19).

3. Tryldcreguleringsventil ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det trykkfølsomme element (7) utgjøres av en membran hvis ene side er påvirket av påstrømsfluidtrykket, og hvis andre side er påvirket av referansetrykket og en forspenningsfjær (3), slik at forspenningsfjæren bestemmer oppstrømsfluidets trykk-nivå i forhold til referansetrykket.

4. Tryldcreguleringsventil ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at pilotlegemet (15) består av et langstrakt, sylindrisk element som er forbundet med det trykkfølsomme element (7) via en manøverstang (8), og som er glidbart anordnet i en føring (24) i reguleringsstempelet (20), idet det langs et parti av pilotlegemet (15) er anordnet en føringskanal (13) som står i forbindelse med kammeret (11), og som med sine endepartier er innrettet til å bringes i strømningsforbindelse med henholdsvis innløpet(l) og utløpet (19), i avhengighet av pilotlegemets (15) posisjon i forhold til reguleringsstempelet (20).

5. Tiykla-egderingsventil ifølge krav 4 karakterisert ved at pilotlegemet (15) og dettes føring (24) er ført sentralt gjennom de nevnte endeflater av reguleringsstempelet (20) og føringshylsen (22).

6. Trykkreguleringsventil ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at pilotlegemets (15) sylindriske element er forsynt med en sentralt forløpende trykk-utlikningskanal (18) hvis ene ende munner ut i nedstrømsutløpet (19) og hvis andre ende står i forbindelse med et kammer (10) i reguleringsstempelets (20) føring (24) bak pilotlegemet (15), slik at trykkforskjellen mellom ventilens oppstrøms- og nedstrømstrykk påvirker pilotlegemet (15) bare på et areal som er lik tverrsnittet av pilotlegemets manøverstang (8).