RU2787635C1

RU2787635C1 - Control valves of the operation line

Info

Publication number: RU2787635C1
Application number: RU2022110957A
Authority: RU
Inventors: Андрей Сергеевич Павлов; Дмитрий Геннадьевич Сидоров; Дмитрий Алексеевич Андреев; Кирилл Владимирович Фролов
Original assignee: Публичное акционерное общество "Газпром"
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2023-01-11

Abstract

FIELD: valve engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, in particular, to valve engineering, namely, to control valves, and can be used in petroleum and gas industry. Control valve of the operation line, constituting an angle pattern valve flange-connected to a pipeline with non-reversible flow, comprises a body, with a cone-type step diffuser structurally placed at the inlet to the valves, a plunger controlled by a hydraulic drive system, and a cage with an array of holes of diameters decreasing in the direction of the flow outlet installed in said body. The diffuser cone is made at an angle φ in the range from 16 to 20 degrees, and the cage is located eccentrically relative to the axis of the body.

EFFECT: ensured continuous flow of the fluid along the diffuser surface and uniform field of flow velocities.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроение, в частности к арматуростроению, а именно к регулирующей арматуре, и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to valves, namely control valves, and can be used in the oil and gas industry.

Известен регулирующий клапан для дросселирования потока жидкости (патент US 6105614 А, опубл. 22.08.2022 г.). Поступающий через впускное отверстие поток флюида попадает в клетку клапана, причем большие порты (отверстия) клетки совмещены с осью впускного отверстия, а отклоняющий стержень расположен на верхнем конце основного отверстия, а отклоняющий стержень расположен на верхнем конце основного отверстия, напротив впускного отверстия. Устройство уменьшает эрозию за счет перераспределения входящего потока флюида.Known control valve for throttling the fluid flow (patent US 6105614 A, publ. 22.08.2022). The fluid flow entering through the inlet enters the valve cage, wherein the large ports (holes) of the cage are aligned with the axis of the inlet, and the deflecting rod is located at the upper end of the main opening, and the deflecting rod is located at the upper end of the main opening, opposite the inlet. The device reduces erosion by redistributing the incoming fluid flow.

Недостатком этого изобретения является снижение пропускной способности вследствие конструктивного исполнения, создающего ограниченное пространство на пути следования потока.The disadvantage of this invention is the reduction in throughput due to the design, which creates a limited space in the path of the flow.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является клапан для снижения шума и кавитации, представленный в патенте US 5018703 А (опубл. 28.05.1991 г.). Клапан содержит корпус, имеющий впускной и выпускной каналы, сообщающиеся с клапанной камерой. Центральный элемент канала выполнен с возможностью перемещения через клапанную камеру соосно с седлом клапана и кольцом дефлектора потока, имеющим центральное отверстие, которое содержит прерывистые дефлекторные поверхности вокруг центрального отверстия, разделенные разнесенными канавками. Система втулок с отверстиями разделяет камеру клапана, образуя входную и выходную секции. Отверстия в группе впускных отверстий во внешней втулке наклонены относительно отверстий группы выпускных отверстий во внутренней втулке, образуя определенный путь потока от впускной секции через множество расположенных в осевом направлении нагнетательных камер к выпускной секции клапанной камеры, сводя к минимуму шум и кавитацию при снижении давления в клапанной камере. Конструкция устройства снижает эрозию за счет системы отверстий в клетке, дефлектора потока и наличия удлиненного плунжера, который частично перекрывает выходное отверстие.The closest in technical essence and achieved technical result is a valve for reducing noise and cavitation, presented in US patent 5018703 A (publ. 28.05.1991). The valve includes a housing having inlet and outlet channels communicating with the valve chamber. The central element of the channel is made with the possibility of moving through the valve chamber coaxially with the valve seat and the flow deflector ring having a central hole, which contains discontinuous deflector surfaces around the central hole, separated by spaced grooves. A perforated bushing system separates the valve chamber to form an inlet and outlet section. The ports in the inlet array in the outer sleeve are inclined with respect to the ports in the exhaust port array in the inner sleeve, providing a defined flow path from the inlet section through the plurality of axially arranged pressure chambers to the outlet section of the valve chamber, minimizing noise and cavitation as the pressure in the valve chamber is reduced. camera. The design of the device reduces erosion due to the system of holes in the cage, the flow deflector and the presence of an elongated plunger that partially blocks the outlet.

Недостатком этого устройства является то, что возникающие гидродинамические сопротивления существенно снижают пропускную способность клапана.The disadvantage of this device is that the resulting hydrodynamic resistance significantly reduces the throughput of the valve.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание регулирующей арматуры эксплуатационной линии, позволяющей обеспечить увеличение пропускной способности и эрозионной стойкости проточной части регулирующей арматуры эксплуатационной линии, а также позволяющей снизить шум при работе устройства, что является необходимым требованием для сохранения местной фауны.The technical problem to be solved by the claimed invention is the creation of production line control valves, which makes it possible to increase the throughput and erosion resistance of the flow part of the production line control valves, as well as to reduce noise during operation of the device, which is a necessary requirement for the conservation of local fauna.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении безотрывного течения флюида по поверхности диффузора и равномерного поля скоростей потока.The technical result achieved in the implementation of the invention is to ensure a continuous flow of fluid over the surface of the diffuser and a uniform field of flow velocities.

Указанный технический результат достигается тем, что в регулирующей арматуре эксплуатационной линии, представляющей собой неизвлекаемую арматуру углового типа с фланцевым присоединением к трубопроводу с нереверсивным потоком, содержащей корпус с установленными в нем ступенчатым диффузором конусного типа, размещенным конструктивно на входе в арматуру, плунжером, управляемым системой гидропривода, клеткой с массивом отверстий, уменьшающихся в диаметре в направлении к выходу потока, согласно изобретению, конус диффузора выполнен под углом ϕ в пределах от 16 до 20 градусов, а клетка расположена эксцентрично относительно оси корпуса.The specified technical result is achieved by the fact that in the control valves of the production line, which is a non-removable valve of the angular type with a flange connection to a pipeline with non-reversible flow, containing a housing with a stepped cone-type diffuser installed in it, located structurally at the inlet to the valve, a plunger controlled by the system hydraulic actuator, a cage with an array of holes decreasing in diameter towards the flow outlet, according to the invention, the cone of the diffuser is made at an angle ϕ in the range from 16 to 20 degrees, and the cage is located eccentrically relative to the housing axis.

Конструкция плунжера и клетки обусловлена требованиями устойчивости к кавитационному разрушению и абразивному износу.The design of the plunger and the cage is due to the requirements of resistance to cavitation destruction and abrasive wear.

Управление потоком осуществляется перемещением плунжера в клетке, имеющей отверстия определенной конфигурации и определенного расположения, обеспечивая равномерное регулирование при различных степенях перекрытия данных отверстий. Массив отверстий клетки имеет уменьшающийся диаметр отверстий и обеспечивает линейную расходную характеристику, то есть расход линейно меняется в зависимости от положения плунжераFlow control is carried out by moving the plunger in a cage having holes of a certain configuration and a certain location, providing uniform regulation at various degrees of overlap of these holes. The cage hole array has decreasing hole diameters and provides a linear flow response, i.e. the flow rate varies linearly with the position of the plunger

Действие плунжера осуществляется гидравлическим или электрическим приводом. Регулирующая арматура эксплуатационной линии представляет собой ступенчатый диффузор конусного типа, размещенный конструктивно на входе в арматуру в совокупности с эксцентричным размещением клетки внутри корпуса. Конструкция плунжера и клетки обусловлена требованиями устойчивости к кавитационному разрушению и абразивному износу. Между клеткой и защитной сеткой имеется зазор 3 мм, необходимый для обеспечения требуемых прочностных характеристик устройства. Герметизация регулирующей арматуры в момент закрытия обеспечивается за счет посадки конус по конусу между клеткой и плунжером в нижней точке.The action of the plunger is carried out by a hydraulic or electric drive. The control valve of the production line is a stepped cone-type diffuser, structurally located at the valve inlet in conjunction with an eccentric cage arrangement inside the body. The design of the plunger and the cage is due to the requirements of resistance to cavitation destruction and abrasive wear. There is a gap of 3 mm between the cage and the protective grid, which is necessary to ensure the required strength characteristics of the device. The sealing of the control valves at the moment of closing is ensured by a cone-to-cone fit between the cage and the plunger at the lowest point.

При помощи компьютерного моделирования методом конечных объемов, применяемом в вычислительной гидродинамике, был получен оптимальный угол конуса диффузора ϕ в пределах от 16 до 20 градусов, который обеспечивает безотрывное течение флюида по поверхности диффузора и приводит к увеличению производительности регулирующей арматуры на 7-10 процентов (с учетом влияния расположения клетки в корпусе), что соответствует значению производительности арматуры с типоразмером последующего ряда при сохранении массогабаритных характеристик регулирующей арматуры.With the help of computer simulation by the finite volume method used in computational fluid dynamics, the optimal cone angle of the diffuser ϕ was obtained in the range from 16 to 20 degrees, which provides an unseparated fluid flow over the diffuser surface and leads to an increase in the performance of control valves by 7-10 percent (with taking into account the influence of the location of the cage in the body), which corresponds to the value of the performance of the valves with the standard size of the next row while maintaining the weight and size characteristics of the control valves.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых: на фиг. 1 показан общий вид регулирующей арматуры эксплуатационной линии;The present invention is illustrated by drawings, in which: Fig. 1 shows a general view of the control valves of the production line;

на фиг. 2 изображена в разрезе А-А кольцевая распределяющая область диффузора.in fig. 2 shows in section A-A the annular distribution area of the diffuser.

Регулирующая арматура эксплуатационной линии работает следующим образом. Поток флюида попадает в диффузор 1 (фиг. 1) и под воздействием давления потока распределяется в кольцевой распределяющей области 2 корпуса 3 (фиг. 2).The control valve of the production line works as follows. The fluid flow enters the diffuser 1 (Fig. 1) and under the influence of the flow pressure is distributed in the annular distribution area 2 of the housing 3 (Fig. 2).

После этого флюид проходит сквозь отверстия в клетке 4 через область торможения потока 5, заполняя внутреннюю полость регулирующей арматуры, и двигается к выходному отверстию (фиг. 1).After that, the fluid passes through the holes in the cage 4 through the area of flow deceleration 5, filling the internal cavity of the control valve, and moves to the outlet (Fig. 1).

При этом за счет постепенного увеличения проходного сечения диффузора 1 и, как следствие, за счет увеличения объема внутри диффузора 1, происходит уменьшение скорости потока. Одновременно происходит увеличение давления входящего потока путем преобразования кинетической энергии флюида в энергию давления, что приводит к увеличению объема флюида, проходящего через клетку 4 в единицу времени. Таким образом производительность арматуры возрастает.At the same time, due to a gradual increase in the flow area of the diffuser 1 and, as a consequence, due to an increase in the volume inside the diffuser 1, the flow rate decreases. Simultaneously, there is an increase in the pressure of the incoming flow by converting the kinetic energy of the fluid into pressure energy, which leads to an increase in the volume of fluid passing through cell 4 per unit time. Thus, the productivity of the armature increases.

Управление потоком осуществляется возвратно-поступательным перемещением плунжера 6 в корпусе 3.The flow is controlled by the reciprocating movement of plunger 6 in housing 3.

Компьютерное моделирование позволило определить, что для уменьшения гидродинамической неустойчивости потока со значительным вихреобразованием форма кольцевой распределяющей области 2 корпуса 3 должна быть ассиметричной (фиг. 2).Computer modeling made it possible to determine that in order to reduce the hydrodynamic instability of the flow with significant vortex formation, the shape of the annular distribution area 2 of the housing 3 must be asymmetric (Fig. 2).

Эксцентричное размещение клетки 4 в корпусе 3 способствует снижению шума и эрозии перфорированных частей клетки 4 при работе устройства, поскольку благодаря предлагаемой конструкции входящий поток распределяется по отверстиям в клетке 4 более равномерно, не вызывая повышенный износ отдельных областей, улучшая пропускную способность и уменьшая шум.The eccentric placement of the cage 4 in the body 3 helps to reduce noise and erosion of the perforated parts of the cage 4 during operation of the device, since due to the proposed design, the incoming flow is distributed over the holes in the cage 4 more evenly, without causing increased wear of individual areas, improving throughput and reducing noise.

Claims

Production line control valves, comprising a housing with a stepped cone-type diffuser installed in it, located structurally at the valve inlet, a plunger controlled by a hydraulic drive system, a cage with an array of holes decreasing in diameter towards the flow outlet, characterized in that the diffuser cone is made at an angle ϕ ranging from 16 to 20 degrees, and the cage is located eccentrically relative to the body axis.