Дискретное запорно-регулирующее устройство

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах подачи и управления потоками газа в газоперекачивающих, энергетических и химических установках. Технический результат: повышение надежности устройства в условиях нестабильности питающей электросети при одновременном снижении энергопотребления. Устройство содержит разделяющую его вход и выход перегородку с запорными клапанами и подключенные к запорным клапанам преобразователи, первые электрические входы которых связаны с первыми выходами блока управления, снабжено переключающим клапаном, запорные клапаны выполнены пневматическими, подпружиненными на запирание, преобразователи выполнены в виде электропневматических триггеров и снабжены вторыми электрическими входами, пневматическим входом питания и выходом сброса, блок управления снабжен вторыми выходами по числу преобразователей и третьим выходом, а также входом, при этом входы переключающего клапана подключены соответственно к входу и выходу дискретного запорно-регулирующего устройства, а выход - к входу питания преобразователей, вторые выходы блока управления подключены к вторым электрическим входам преобразователей, а его вход является входом внешнего управления. Выходные цепи преобразователей устройства снабжены сигнализаторами, а блок управления снабжен вторым входом, к которому подключены выходные цепи сигнализаторов. Устройство содержит электронно-пневматические триггеры, первый и второй электропневмоклапаны, пневмоцилиндр с поршнем, реечную передачу, первый и второй дроссели и поворотный затвор, при этом пневматические входы питания электропневмоклапанов связаны между собой, с входом поворотного затвора и являются пневматическим входом питания электропневматического триггера, электрические входы электропневмоклапанов являются электрическими входами электропневматического триггера, выходы электропневмоклапанов подключены соответственно к входам первого и второго дросселей, а также к первой и второй полостям пневмоцилиндра, выходы дросселей связаны с выходом поворотного затвора и являются пневматическим выходом сброса электропневматического триггера, поршень пневмоцилиндра через реечную передачу связан с механическим входом поворотного затвора, выход которого является выходом электропневматического триггера. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах подачи и управления потоками газа в газоперекачивающих, энергетических и химических установках.

Известно дискретное запорно-регулирующее устройство (ДЭРУ), содержащее разделяющую вход и выход перегородку с запорными клапанами и управляющими электромагнитными клапанами (патент США N 4019533, кл. 137/599, 1977).

Недостатком известного устройства является высокое энергопотребление и низкая надежность в условиях нестабильности питающей электросети, а также при отсутствии перепада давления между вводом и выходом запорно-регулирующего устройства.

Наиболее близким к заявленному является дискретное запорно-регулирующее устройство, содержащее разделяющую его вход и выход перегородку с запорными клапанами, электрические входы которых связаны с выходом блока управления (кн. Залманзона Л.А. Микропроцессоры и управление потоками жидкостей и газов. М. "Наука", 1984 г. с.128, рис.5.2,б).

Недостатком известного устройства является низкая надежность в условиях нестабильности питающей электросети при высоком энергопотреблении устройства.

Указанные недостатки известных устройств наиболее ярко проявляются при их работе в системах, в которых в надежности срабатывания запорно-регулирующих устройств предъявляются повышенные требования и, в особенности, к надежности их удержания в заданном состоянии даже при кратковременном отсутствии напряжения в питающей сети. К таким системам, в частности, относятся системы антипомпажной защиты газотурбинных установок, в которых отказы запорно-регулирующих устройств, связанные с кратковременным отсутствием напряжения в питающей сети, либо при его значительных колебаниях, могут приводить к катастрофическим последствиям с разрушением установок из-за возникающих помпажных процессов.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности устройства в условиях нестабильности питающие электросети при одновременном снижении энергопотребления.

Указанный результат достигается тем, что дискретное запорно-регулирующее устройство, содержащее разделяющую его вход и выход перегородку с запорными клапанами, подключенные к запорным клапанам преобразователи, первые электрические входы которых связаны с первыми выходами блока управления, снабжено переключающим клапаном, запорные клапаны выполнены пневматическими, подпружиненными на запирание, преобразователи выполнены в виде электропневматических триггеров и снабжены вторыми электрическими входами, пневматическим входом питания и выходом сброса, блок управления снабжен вторыми выходами по числу преобразователей и третьим выходом, а также входом, при этом входы переключающего клапана подключены соответственно к входу и выходу дискретного запорно-регулирующего устройства, а выход к входу питания преобразователей, вторые выходы блока управления подключены к вторым электрическим входам преобразователей, а его вход является входом внешнего управления.

Указанный результат достигается также тем, что выходные цепи преобразователей снабжены сигнализаторами, а блок управления снабжен вторым входом, к которому подключены выходные цепи сигнализаторов.

Указанный результат достигается еще и тем, что электропневматический триггер содержит первый и второй электропневмоклапаны, пневмоцилиндр с поршнем, реечную передачу, первый и второй дроссели и поворотный затвор, при этом пневматические входы питания электропневмоклапанов связаны между собой, с входом поворотного затвора и являются пневматическим входом питания электропневматического триггера, электрические входы электропневмоклапанов являются электрическими входами электропневматического триггера, выходы электропневмоклапанов подключены соответственно к входам первого и второго дросселей, а также к первой и второй полостям пневмоцилиндра, выходы дросселей связаны с выходом поворотного затвора и являются пневматическим выходом сброса электропневматического триггера, поршень пневмоцилиндра через реечную передачу связан с механическим входом поворотного затвора, выход которого является выходом электропневматического триггера.

На фиг.1 показана схема дискретного запорно-регулирующего устройства; на фиг.2 структурная схема блока управления; на фиг.3 зависимость относительной площади проходного сечения ДРЗУ от величины тока сигнала внешнего управления.

Дискретное запорно-регулирующее устройство (ДЭРУ) содержит разделяющую его вход и выход перегородку 1 с запорными клапанами 2 и 3 и, подключенные к запорным клапанам преобразователи 4. Первые электрические входы 5 преобразователей 4 связаны с первыми выходами блока 6 управления. Запорные клапаны 2 и 3 выполнены пневматическими, подпружиненными на запирание. Преобразователи 4 выполнены в виде электропневматических триггеров (ЭПТ), т.е. имеют электрическое управление, пневматический выходной сигнал и триггерную характеристику. Устройство также содержит переключающий клапан 7, входы которого подключены соответственно к входу и выходу ДЭРУ, а выход к входам 8 питания преобразователей 4. Вторые выходы блока 6 управления подключены ко вторым электрическим входам 9 преобразователей 4. Первый 10 и третий 11 входы блока 6 управления являются входами внешнего управления. Преобразователи 4 снабжены общим пневматическим входом 12 питания и выходом 13 сброса. Третий выход 14 блока 6 управления является выходом ДЭРУ на внешние устройства.

Выходные цепи преобразователей 4 снабжены сигнализаторами 15, в качестве которых могут использоваться, как сигнализаторы давления, устанавливаемые непосредственно на выходе преобразователей 4, или на линии, связывающей преобразователи 4 с клапанами 2 и 3, либо в подпоршневой полости последних, так и сигнализаторы положения поршня запорных клапанов 2 и 3. Выходы сигнализаторов 15 подключены к входу блока 6.

Каждый преобразователь 4 выполнен в виде электронно-пневматического триггера (ЭПТ) и содержит первый 16 и второй 17 электропневмоклапаны (ЭПК) пневмоцилиндр 18 с поршнем 19, реечную передачу 20, первый 21 и второй 22 дроссели и поворотный затвор 23, например шарового типа. Пневматические входы питания электропневмоклапанов 16 и 17 связаны между собой и с пневматическим входом поворотного затвора 23 и являются пневматическим входом поворотного затвора 23 и являются пневматическим входом питания электропневматического триггера. Выходы ЭПТ 16 и 17 подключены соответственно к входам первого 21 и второго 22 дросселей, а также к первой и второй полостям пневмоцилиндра 18. Выходы дросселей 21 и 22 связаны с выходом поворотного затвора 23 и являются пневматическим выходом сброса ЭПТ. Поршень 19 пневмоцилиндра 18 через реечную передачу 20 связан с механическим входом поворотного затвора 23, выход которого является пневматическим выходом ЭПТ.

В описываемом примере конкретного выполнения устройства запорные клапаны объединены в две группы 2 и 3 (по четыре клапана в каждой группе). Число групп клапанов и их количество в каждой группе выбирают исходя из заданной точности (дискретности) и диапазона регулирования. Запорные клапаны 2 и 3 имеют одинаковое конструктивное выполнение и содержат уплотненный поршень 24, размещенный в цилиндре 25. В полости под поршнем 24 размещается пружина 26, постоянно создающая усилие, направленное на запирание клапана.

В каждой группе клапанов 2 и 3 содержатся клапаны одинакового проходного сечения. При этом первая группа включает клапаны минимального проходного сечения, площадь которого S1 рассчитывается исходя из заданной во всем диапазоне регулирования дискретности проходного сечения. В каждой последующей группе площадь проходного сечения запорного клапана равна S_n S_n-1(K_n-1 + 1), где n номер группы запорных клапанов, K_n-1 число запорных клапанов в предшествующей группе, S_n-1 площадь проходного сечения запорного клапана в предшествующей группе.

Блок 6 управления содержит преобразователь 27 ток-напряжение, вход которого является первым входом блока 6 управления и последовательно соединенные с ним аналого-цифровой преобразователь 28, первый преобразователь 29 кодов, блок 30 формирования импульсов и блок 31 ключевых усилителей мощности, второй вход которого является третьим входом блока 6 управления. Второй вход блока 32 триггеров является вторым входом блока 6 управления, а выход связан с последовательно соединенным вторым преобразователем 33 кодов, цифроаналоговым преобразователем 34 и преобразователем 35 напряжение-ток, выход которого является третьим выходом блока 6. Поворотный затвор 23 жестко механически связан с рычагом 36 ручного управления.

В линиях, связывающих вход и выход переключающего клапана 7 с входом и выходом ДЭРУ, могут быть установлены фильтры 37 и 38.

Рабочая поверхность поршня 24 запорного клапана 2 и 3 в закрытом состоянии перекрывает отверстие в перегородке 1 по кольцу, внешний диаметр которого меньше внешнего диаметра поршня 24. За счет этого образуется поверхность 39 с неуравновешенной площадью Sny, величина которой играет существенное значение для формирования дополнительного усилия на открытие запорных клапанов, в том числе при их "заеданиях" из-за возможных сил сухого трения при движении поршня 24.

Дискретное запорно-регулирующее устройство (ДЭРУ) работает следующим образом.

В исходном состоянии все запорные клапаны 2 и 3 закрыты. Давление рабочей среды (например природного газа) превышающее атмосферное, со входа или выхода ДЭРУ через фильтры 37 и 38 и переключающий клапан 7 по линии 12 поступает на входы 8 питания преобразователей 4. При этом ЭПТ 16 и 17 обесточены, поршни 19 находятся в левом (фиг.1) положении, а поворотные затворы 23 обеспечивают доступ рабочей среды в подпружиненную полость клапанов 2 и 3. Подсоединение переключающего клапана 7 ко входу и выходу ДЭРУ позволяет удерживать запорные клапаны 2 и 3 в закрытом положении как при наличии прямого перепада давления на ДЭРУ (давление на входе больше давления на выходе), так и при наличии обратного перепада. При подаче сигнала управления I_вх на первый вход 10 блока 6 управления (например с пульта управления) он преобразуется в напряжение в преобразователе 27, затем в цифровой код в АЦП 28. Полученный цифровой код после преобразователя 29 поступает на блок 30 формирования импульсов. Блок 30 формирует импульсы заданной длительности, которые через блок 31 ключевых усилителей управляют срабатыванием ЭПК 16 и 17. При этом длительность импульсов выбирается исходя из времени, необходимого для перемещения поршня 19 из одного крайнего положения в другое и открывания или запирания соответствующего запорного клапана 2 и 3. При поступлении управляющего импульса на первый электрический вход 5 преобразователя 4 срабатывает ЭПК 16, открывающий доступ газа с входов питания преобразователей 4 в левую (фиг.1) полость пневмоцилиндра 18. При этом правая его полость через общий пневматический выход 13 сброса и дроссель 22 сообщена с атмосферой. Под действием разности давлений поршень 19 перемещается в крайнее правое (фиг. 1) положение и через реечную передачу 20 переводит поворотный затвор 23 в положение, при котором подпоршневая полость запорного клапана (например, клапана 2) сообщается с атмосферой. Под действием перепада давления "вход атмосфера" на неуравновешенную площадь 39 поршня 24, размещенного в корпусе 25, и перепада давления "выход атмосфера" на остальную часть площади поршня 24, поршень сжимает пружину 26 и перемещается в нижнее положение. При этом запорный клапан открывается и газ с входа ДЭРУ поступает на его выход. Наличие на поршне 24 неуравновешенной площади, на которую при открытии запорных клапанов всегда действуют перепад давлений "вход атмосфера", обеспечивает срабатывание запорных клапанов независимо от величины давления на выходе ДЭРУ, что особенно видно, когда его величина близка к величине атмосферного давления. Одновременно с этим сигнал с выходов блока 32 триггеров посредством цепочки преобразователей 33, 34 и 35 преобразуется в токовый сигнал обратной связи I_оc, который с выхода 14 блока 6 поступает на внешние системы, например, на пульт управления. Величина сигнала I_оc пропорциональна площади проходного сечения ДЭРУ в данный момент.

По мере возрастания сигнала I_вх происходит последовательное отпирание запорных клапанов 2 и 3 и площадь проходного сечения ДЗРУ изменяется в соответствии с приведенной на фиг.3 зависимостью.

Повышение надежностью контроля состояния ДЗРУ достигается за счет подтверждения срабатывания запорного клапана при поступлении на триггеры блока 32 дополнительного аддитивного сигнала от сигнализаторов 15.

При уменьшении величины сигнала управления I_вх импульсы с выходов блока 31 ключевых усилителей поступают на вторые входы 9 преобразователей 4. При этом срабатывает ЭПК 17, открывая доступ рабочей среды со входов 8 в правые полости пневмоцилиндров 18. Поршни соответствующих пневмоцилиндров перемещаются в крайнее левое положение, осуществляя через реечную передачу 20 перемещение поворотного затвора 23, в результате которого соответствующий запорный клапан 2 или 3 закрывается. Одновременно изменяется состояние триггеров в блоке 32 и уменьшается сигнал обратной связи I_оc.

При необходимости управление ключевыми усилителями блока 31 может осуществляться оператором вручную по входу 11. Возможно ручное управление положением поршней 19 посредством рычага 36.

Таким образом, благодаря наличию в заявленном устройстве переключающего клапана 7, а также выполнению преобразователей в виде электропневматических триггеров достигается повышение надежности устройства при его работе в условиях нестабильности электрической сети, поскольку электромагнитные клапаны находятся "под током" только в течение коротких отрезков времени, а все остальное время они обесточены. По этой же причине снижается общее энергопотребление устройства.

Формула изобретения

1. ДИСКРЕТНОЕ ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее размещенную в корпусе и разделяющую входной и выходной патрубки перегородку с запорными клапанами, преобразователи с электрическими входами, а также блок управления, отличающееся тем, что устройство снабжено переключающим клапаном, запорные клапаны выполнены с пневмоуправлением и подпружиненными на запирание, преобразователи в виде электропневматических триггеров, связанных выходами с управляющими входами запорных клапанов и снабженных объединенным пневматическим входом питания и выходом сброса, выходы блока управления разделены на две группы по числу подключенных к ним групп электрических входов электропневматических триггеров, а сам блок управления снабжен подключенными к внешним каналам третьим выходом и двумя входами, при этом входы переключающего клапана подключены к входному и выходному патрубкам, а выход к пневматическому входу питания электропневматических триггеров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходы электропневматических триггеров снабжены сигнализаторами, подключенными к группе входов блока управления.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электропневматический триггер содержит первый и второй электропневмоклапаны, пневмоцилиндр с поршнем, реечную передачу, первый и второй дроссели и поворотный затвор, при этом пневматические входы питания электропневмоклапанов связаны между собой, с входом поворотного затвора и являются пневматическим входом питания электропневматического триггера, электрические входы электропневмаклапанов являются электрическими входами электропневматического триггера, выходы электропневмоклапанов подключены соответственно к входам первого и второго дросселей, а также к первой и второй полостям пневмоцилиндра, выходы дросселей связаны с выходом поворотного затвора и являются выходом сброса электропневматического триггера, поршень пневмоцилиндра через реечную передачу связан с механическим входом поворотного затвора, выход которого является выходом электропневматического триггера.