RU2248603C2

RU2248603C2 - Indirect-action gas pressure regulator with self-heating

Info

Publication number: RU2248603C2
Application number: RU2003102325/06A
Authority: RU
Inventors: нский В.Л. Добр (RU); В.Л. Добрянский; А.И. Кривошеев (RU); А.И. Кривошеев; Р.Ш. Серазитдинов (RU); Р.Ш. Серазитдинов; В.С. Громов (RU); В.С. Громов; Я.В. Зарецкий (RU); Я.В. Зарецкий; Ф.Ш. Серазетдинов (RU); Ф.Ш. Серазетдинов; Ш.Х. Хазиев (RU); Ш.Х. Хазиев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Авиагаз-Союз+"
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2005-03-20

Abstract

FIELD: hydraulic and pneumatic automatics, namely regulation of pressure of natural gas at outlet of gas distributing stations.

SUBSTANCE: regulator includes outer cylindrical housing, swirling chamber coaxial to said housing, designed for energy separation and having annular duct for drawing off hot flow and unit for controlling cross section of tangential nozzle inlet of compressed air in chamber. Said unit is arranged between diaphragm and swirling chamber. Recovering swirl ejector is arranged directly behind diaphragm in cold end part of chamber. Controlling unit, namely valve unit is in the form of hollow cylinder moved in lengthwise direction by means of rod of servo drive. At side of diaphragm cylinder engages with outlet cross section of nozzle inlet through lengthwise tangential ducts in wall of inlet collector embracing outer wall of said valve. Outlet of duct for drawing off hot flow to side of cold end of chamber and to side of housing of nozzle inlet is connected with collector for supplying hot flow to ejector. The last is in the form of tangential ducts in lateral wall of duct for drawing off cold flow. Behind mixing passage of ejector and lateral branch of mixed flow said servo drive of regulator is arranged.

EFFECT: enhanced operational reliability, enlarged functional possibilities of one-aggregate gas pressure regulator, improved accuracy of regulation due to effective self-heating and dynamic balance of shut-off pair.

3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемый регулятор давления газа непрямого действия с самообогревом относится преимущественно к области гидропневмоавтоматики и может быть использован в нефтяной, химической, энергетической и газовой отраслях промышленности, например для регулирования давления природного газа на выходе газораспределительных станций (ГРС).The proposed gas pressure regulator of indirect gas with self-heating relates mainly to the field of hydropneumatic automation and can be used in the oil, chemical, energy and gas industries, for example, to regulate the pressure of natural gas at the outlet of gas distribution stations (GDS).

Известна вихревая труба, которая не только генерирует тепло (холод), но одновременно при плавно изменяемой геометрии соплового ввода может быть использована как регулятор давления на ГРС (см. статью В.В. Николаева и др. “Опыт эксплуатации регулируемой вихревой трубы на газораспределительной станции” в журнале “Газовая промышленность”, №10, 1995 г., с.13). Известная вихревая труба содержит камеру энергетического разделения и диафрагму, между которыми размещен сопловой ввод с регулируемым сопловым сечением. В этой вихревой трубе сопловой ввод выполнен в виде прямоугольной улитки, построенной по спирали Архимеда, при этом сечение соплового ввода регулируется изменением высоты улитки за счет перемещения подвижного клина. Недостатком трубы является сложность изготовления узла регулирования из-за наличия пар трения прямоугольного профиля, сопрягаемых с высокой точностью. Кроме того, возникает эрозия именно боковых деталей сопла по линиям вершин прямых углов, что приводит в процессе эксплуатации к негерметичности посадочных мест и, как следствие, к перетечкам газа, искажению расчетной картины течения газа и в итоге к снижению эксплуатационной надежности и эффективности процесса энергоразделения.A vortex tube is known, which not only generates heat (cold), but at the same time with a continuously variable nozzle entry geometry, can be used as a pressure regulator on a gas distribution system (see the article by V.V. Nikolaev and others. “Operating experience of an adjustable vortex tube at a gas distribution station ”In the journal“ Gas Industry ”, No. 10, 1995, p.13). Known vortex tube contains an energy separation chamber and a diaphragm, between which there is a nozzle inlet with an adjustable nozzle section. In this vortex tube, the nozzle inlet is made in the form of a rectangular snail, built in a spiral of Archimedes, while the nozzle inlet section is controlled by changing the height of the cochlea due to the movement of the movable wedge. The disadvantage of the pipe is the difficulty of manufacturing the control unit due to the presence of friction pairs of a rectangular profile, mated with high accuracy. In addition, erosion occurs precisely on the side parts of the nozzle along the lines of vertices of right angles, which leads to leakage of seats during operation and, as a result, to gas leakage, distortion of the calculated picture of the gas flow and, as a result, to a decrease in operational reliability and efficiency of the energy separation process.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является известное изобретение (см. а.с.СССР №224231 на “Регулятор давления газа непрямого действия с самообогревом” от 24.10.72, М. Кл. G 05 D 16/10).The closest technical solution, selected as a prototype, is the well-known invention (see ASSSSR No. 2223231 on “Pressure regulator of gas of indirect action with self-heating” from 10.24.72, M. Cl. G 05 D 16/10).

Известный регулятор давления газа содержит наружный цилиндрический корпус, являющийся частью газопровода, со встроенным внутри него и аксиально расположенным подвижным цилиндрическим стаканом, связанным с пилотным устройством, соосную с ним вихревую камеру энергетического разделения с кольцевым каналом отвода горячего потока и расположенный между диафрагмой и камерой узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода сжатого газа в камеру, а также утилизирующий вихревой эжектор, расположенный непосредственно за диафрагмой на холодном конце камеры.The known gas pressure regulator comprises an outer cylindrical body, which is part of a gas pipeline, with an integrated axially arranged movable cylindrical cup integrated inside it and connected to the pilot device, an energy separation coaxial vortex chamber with an annular channel for removing the hot flow, and a control unit located between the diaphragm and the chamber cross sections of the tangential nozzle inlet of compressed gas into the chamber, as well as a utilizing vortex ejector located directly behind the diaphragm th at the cold end of the chamber.

К недостаткам прототипа необходимо отнести следующее. Во-первых, значительная динамическая неуравновешенность запорной пары, пропорциональная скоростному напору газа, действующему на торец подвижного стакана-клапана, что снижает надежность работы и точность регулирования. Во-вторых, регулирование расхода газа осуществляется за счет изменения сечения - соплового ввода в докритической области, то есть происходит процесс “преждевременного” дросселирования, что сужает эффективный диапазон по самообогреву, особенно при дефиците величины входного давления сжатого газа. И в-третьих, - что тоже существенно, - встроенная в газопровод конструкция регулятора не позволяет проводить эксплуатационно-профилактические работы без демонтажа его с линии редуцирования.The disadvantages of the prototype must include the following. Firstly, a significant dynamic imbalance of the locking pair, proportional to the gas pressure head acting on the end of the movable nozzle-valve, which reduces the reliability and accuracy of regulation. Secondly, the gas flow rate is controlled by changing the cross section — nozzle injection in the subcritical region, that is, the process of “premature” throttling occurs, which narrows the effective range for self-heating, especially when there is a deficit in the input pressure of the compressed gas. And thirdly, which is also essential, the regulator’s built-in gas pipeline construction does not allow carrying out operational and preventive work without dismantling it from the reduction line.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и расширение функциональных возможностей в едином агрегате с обеспечением высокой точности регулирования за счет эффективного самообогрева и динамической уравновешенности запорной пары.The objective of the invention is to increase operational reliability and expand the functionality in a single unit with high precision regulation due to effective self-heating and dynamic balance of the locking pair.

Эта цель достигается тем, что регулятор давления, который содержит наружный цилиндрический корпус, соосную с ним вихревую камеру энергетического разделения с кольцевым каналом отвода горячего потока и расположенный между диафрагмой и камерой узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода сжатого газа в камеру, а также утилизирующий вихревой эжектор, расположенный непосредственно за диафрагмой на холодном конце камеры, отличается тем, что узел регулирования, конкретно клапан, выполнен в виде продольно перемещаемого штоком сервопривода полого цилиндра (далее “клапан”), который со стороны диафрагмы взаимодействует с выходным сечением соплового ввода посредством продольных тангенциальных каналов на стенке входного коллектора, охватывающего наружную стенку клапана. При этом канал отвода горячего потока в сторону холодного конца камеры и корпуса соплового ввода своим выходом подключен к коллектору подачи горячего потока в эжектор, выполненный в виде тангенциальных каналов в боковой стенке канала отвода холодного потока, причем за каналом смешения эжектора и боковым отводом смешанного потока расположен упомянутый выше сервопривод регулятора. При таком взаимном расположении клапана соплового ввода и диафрагмы обеспечивается практически полная динамическая уравновешенность запорной пары, существенное снижение перестановочного усилия на штоке, что позволяет использовать сервопривод относительно небольшой мощности, повысить надежность работы регулятора и точность регулирования. Кроме того, как вариант, сервопривод выполнен в виде пневмоцилиндра, установленного со стороны отвода смешанного потока и содержащего подвижный поршень, разделяющий полости управляющего и выходного давлений с возвратной пружиной, причем полость управляющего давления может быть подключена через фильтр-осушитель к пилоту управления - усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором. При этом поршень соединен с клапаном штоком, а со стороны возвратной пружины оперт подпружиненным толкателем, установленным с возможностью контакта его с датчиком положения клапана и соосного с ним ограничителя, перемещаемого вручную или автоматически. Это позволяет использовать предлагаемый регулятор не только по его прямому назначению - поддерживать постоянной величину выходного давления, но и выполнять функцию ограничителя расхода газа, а - при надлежащем уплотнении клапана в закрытом положении, - быть отсекателем потока газа. При этом тангенциальные каналы соплового ввода и эжектора могут быть выполнены, например, прорезной фрезой соответствующих размеров таким образом, чтобы протяженность каналов со стороны входа газа была, по меньшей мере, в полтора раза больше их протяженности со стороны выхода газа.This goal is achieved by the fact that the pressure regulator, which contains an outer cylindrical body, an energy separation coaxial vortex chamber with an annular channel for removing the hot flow, and a unit for regulating the cross section of the tangential nozzle input of compressed gas into the chamber located between the diaphragm and the chamber, as well as a vortex ejector utilizing located directly behind the diaphragm at the cold end of the chamber, characterized in that the control unit, specifically the valve, is made in the form of a longitudinally movable rod servo hollow cylinder (hereinafter, "valve") that the part of the diaphragm communicates with the outlet section of the nozzle entering through the longitudinal wall of the tangential channels to inlet manifold covering the outer wall of the valve. In this case, the channel for diverting the hot flow towards the cold end of the chamber and the nozzle inlet body is connected with its outlet to the collector for supplying the hot stream to the ejector, made in the form of tangential channels in the side wall of the channel for diverting the cold stream, and located behind the mixing channel of the ejector and the side outlet of the mixed stream servo controller mentioned above. With this mutual arrangement of the nozzle inlet valve and the diaphragm, almost complete dynamic balance of the locking pair is ensured, a significant reduction in the switching force on the rod, which allows the use of a relatively small power servo, increase the reliability of the regulator and the accuracy of regulation. In addition, as an option, the servo drive is made in the form of a pneumatic cylinder mounted on the side of the mixed flow outlet and containing a movable piston separating the control and output pressure cavities with a return spring, and the control pressure cavity can be connected through a filter dryer to the control pilot - amplifier with selection of a hot stream before the utilizing ejector. In this case, the piston is connected to the valve by a rod, and on the return spring side it is supported by a spring-loaded pusher installed with the possibility of contacting it with the valve position sensor and the coaxial limiter, which can be moved manually or automatically. This allows you to use the proposed regulator not only for its intended purpose - to maintain a constant value of the outlet pressure, but also to perform the function of a gas flow limiter, and - with proper sealing of the valve in the closed position - to be a gas flow cutoff. In this case, the tangential channels of the nozzle inlet and ejector can be made, for example, by a slotted cutter of appropriate sizes so that the length of the channels from the gas inlet side is at least one and a half times their length from the gas outlet side.

На чертеже показан общий вид регулятора давления непрямого действия с самообогревом в виде продольного разреза с двумя необходимыми поперечными сечениями А-А, Б-Б в закрытом положении клапана.The drawing shows a General view of the pressure regulator of indirect action with self-heating in the form of a longitudinal section with two necessary cross-sections A-A, B-B in the closed position of the valve.

Регулятор давления содержит наружный цилиндрический корпус 1, соосную с ним вихревую камеру 2 энергетического разделения с кольцевым каналом 3 отвода горячего потока и расположенный между диафрагмой 4 и камерой 2 узел регулирования сечения тангенционального соплового ввода, конкретно клапан 5, выполненный в виде продольно перемещаемого штоком 6 сервопривода полого цилиндра 7, (далее “клапан”), который со стороны диафрагмы 4 взаимодействует с выходным сечением соплового ввода посредством продольных тангенциальных каналов 8 на стенке входного коллектора 9, охватывающего наружную стенку клапана. При этом канал 3 отвода горячего потока в сторону холодного конца камеры и корпуса 10 соплового ввода своим выходом подключен к коллектору 11 подачи горячего потока в эжектор 12, выполненный в виде тангенциальных каналов 13 в боковой стенке канала 14 отвода холодного потока, причем за каналом 15 смешения эжектора и боковым отводом 16 смешанного потока расположен упомянутый сервопривод. Как вариант, сервопривод выполнен в виде пневмоцилиндра 17, установленного со стороны отвода 16 и содержащего подвижный поршень 18, разделяющий полость 19 управляющего и полость 20 выходного давления с возвратной пружиной 21, причем полость управляющего давления может быть подключена через фильтр-осушитель к пилоту управления - усилителю (на чертеже не показаны) с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором 12. При этом поршень 18 соединен с клапаном штоком, а со стороны пружины 21 оперт подпружиненным толкателем 22, установленным с возможностью контакта его с датчиком 23 положения клапана и соосного с ним (толкателем) ограничителя 24, перемещаемого вручную или автоматически. Тангенциальные каналы (8 и 13) могут быть выполнены, например, прорезной (шлицевой) фрезой соответствующих размеров таким образом, чтобы протяженность указанных каналов со стороны входа газа была, по меньшей мере, в полтора раза больше их протяженности со стороны выхода газа. Для обеспечения выполнения регулятором функции отсекателя потока газа в закрытом положении на корпусе клапана со стороны отверстия диафрагмы установлено радиальное или торцевое “стояночное” уплотнение 25.The pressure regulator comprises an outer cylindrical body 1, a vortex chamber 2 coaxial with it, energy separation with an annular channel 3 for the removal of hot flow and located between the diaphragm 4 and the chamber 2, a section for controlling the cross section of the tangential nozzle inlet, specifically a valve 5, made in the form of a servo-drive longitudinally moved by the rod 6 hollow cylinder 7, (hereinafter “the valve"), which from the side of the diaphragm 4 interacts with the output section of the nozzle input by means of longitudinal tangential channels 8 on the inlet wall 9 th collector, covering the outer wall of the valve. In this case, the channel 3 for removing the hot flow towards the cold end of the chamber and the nozzle input housing 10 is connected with its output to the collector 11 for supplying the hot stream to the ejector 12, made in the form of tangential channels 13 in the side wall of the channel 14 for removing the cold stream, and beyond the mixing channel 15 the ejector and the lateral tap 16 of the mixed flow is located mentioned servo. As an option, the servo-drive is made in the form of a pneumatic cylinder 17 mounted on the outlet 16 side and containing a movable piston 18 separating the control cavity 19 and the output pressure cavity 20 with a return spring 21, and the control pressure cavity can be connected through a filter dryer to the control pilot - an amplifier (not shown) with the selection of the hot stream in front of the utilizing ejector 12. In this case, the piston 18 is connected to the valve by the rod, and from the side of the spring 21 it is supported by a spring-loaded plunger 22 installed with zhnosti his contact with the sensor 23, the valve position and coaxial with it (pusher) limiter 24, is moved manually or automatically. The tangential channels (8 and 13) can be made, for example, with a slotted (slotted) mill of appropriate sizes so that the length of these channels from the gas inlet side is at least one and a half times their length from the gas outlet side. To ensure that the regulator performs the function of a gas cut-off valve in the closed position, a radial or mechanical “parking” seal 25 is installed on the valve body from the side of the diaphragm hole.

Регулятор работает следующим образом.The regulator operates as follows.

Осуществляя подачу управляющего газа в полость 19 и преодолевая силы трения на уплотнениях клапана, штока и поршня, а также усилие возвратной пружины, производят плавное перемещение клапана, открывая доступ сжатого газа в камеру 2 энергетического разделения, где образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого охлаждаются и отводятся через диафрагму в виде холодного потока низкого давления, а периферийные слои подогреваются и вытекают через кольцевой канал 3 и корпус соплового ввода к коллектору 11 подачи горячего потока в эжектор. При этом горячий поток, подогревая корпус соплового ввода за счет теплопроводности, предотвращает возможное обмерзание рабочих поверхностей запорно-регулирующей пары в процессе дросселирования. Кроме того, за счет эжектирующего действия горячего потока, истекающего из тангенциальных каналов 13, происходит не только компенсация потерь давления при движении холодного потока через диафрагму, но и понижение давления в приосевой зоне соплового ввода сжатого газа, что расширяет диапазон эффективной работы вихревой камеры в условиях дефицита входного давления сжатого газа. Если величина управляющего (командного) давления на выходе пилота управления - усилителя будет превышать потребную величину выходного давления на 2-3 атмосферы, то в этом случае вообще отпадает необходимость в системе подготовки импульсного газа на ГРС, что значительно повышает надежность работы предлагаемого устройства и ГРС в целом.By supplying the control gas to the cavity 19 and overcoming the friction forces on the valve, stem and piston seals, as well as the force of the return spring, the valve moves smoothly, allowing compressed gas to enter the energy separation chamber 2, where an intense circular flow is formed, the axial layers of which are cooled and are discharged through the diaphragm in the form of a cold stream of low pressure, and the peripheral layers are heated and flow through the annular channel 3 and the nozzle inlet body to the collector 11 for supplying a hot stream to the floodlight. In this case, the hot flow, heating the nozzle inlet body due to thermal conductivity, prevents possible freezing of the working surfaces of the locking-regulating pair during the throttling process. In addition, due to the ejecting action of the hot stream flowing out of the tangential channels 13, there is not only compensation for pressure losses during the movement of the cold stream through the diaphragm, but also a decrease in pressure in the axial zone of the nozzle inlet of compressed gas, which extends the range of effective operation of the vortex chamber under deficiency of inlet pressure of compressed gas. If the value of the control (command) pressure at the output of the control pilot-amplifier will exceed the required value of the output pressure by 2-3 atmospheres, then in this case there is no need for a pulsed gas preparation system for GDS, which significantly increases the reliability of the proposed device and GDS in whole.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, можно утверждать о возможности выполнения поставленной задачи: повышение эксплуатационной надежности и расширение функциональных возможностей в едином агрегате с обеспечением высокой точности регулирования за счет эффективного самообогрева и динамической уравновешенности запорной пары.Thus, taking into account the foregoing, it can be argued that it is possible to accomplish the task: increasing operational reliability and expanding functionality in a single unit with high precision control due to efficient self-heating and dynamic balance of the locking pair.

Claims

1. Self-heating gas pressure regulator with indirect heating, comprising an outer cylindrical body, an energy separation vortex chamber coaxial with it, an annular channel for removing the hot flow and a unit for controlling the cross section of the tangential nozzle input of compressed gas into the chamber located between the diaphragm and the chamber, as well as a utilizing vortex ejector located directly behind the diaphragm at the cold end of the chamber, characterized in that the control unit, specifically the valve, is made in the form of a longitudinally movable of the hollow cylinder servo rod, from the diaphragm side interacting with the nozzle inlet outlet cross section by means of longitudinal tangential channels on the wall of the inlet manifold, covering the outer wall of the valve, while the channel for removing the hot flow towards the cold end of the chamber and the nozzle inlet body is connected to the supply manifold by its output hot flow into the ejector, made in the form of tangential channels in the side wall of the channel for removal of the cold stream, and behind the mixing channel of the ejector and side outlet Ohm mixed flow is located mentioned servo controller.

2. The regulator according to claim 1, characterized in that when performing a servo in the form of a pneumatic cylinder mounted on the side of the mixed flow outlet and containing a movable piston separating the control and output pressure cavities with a return spring, the control pressure cavity can be connected through a filter dryer to the control pilot - an amplifier with hot flow extraction in front of the utilizing ejector, while the piston is connected to the valve by the rod, and on the return spring side it is supported by a spring-loaded pusher installed m with the possibility of contact with its valve position sensor and coaxial with stop him, moved manually or automatically.

3. The regulator according to claim 1, characterized in that the tangential channels of the nozzle inlet and ejector can be made, for example, with a slotted cutter of the appropriate size so that the length of the channels from the gas inlet side is at least one and a half times their length from the gas outlet side.