Многопоточный клапан-дроссель

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах добычи и транспортировки газа и жидкости, в газоперекачивающих, энергетических и химических установках. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности устройств многопоточной схемы путем обеспечения жесткости их конструкции и повышения стабильности динамических характеристик запорных клапанов во всех условиях эксплуатации. Устройство содержит входной и выходной патрубки, размещенную в корпусе перегородку и запорные клапаны с пневмоуправлением, вовнутрь участка трубопровода устанавливается первая перегородка, вторая перегородка устанавливается над первой снаружи трубопровода и соединяется с корпусом цилиндрическими полыми стяжками, внутри каждой из которых у перегородки располагается расходная шайба, каждый запорный клапан содержит двухпозиционный поршень и противоударную массу, перемещающиеся в расположенной внутри соответствующей стяжки гильзе, упор и две пружины, одна из которых с малым ходом расположена в полости управления между упором и противоударной массой, а вторая с большим ходом - в демпфирующей полости между противоударной массой и поршнем, на боковой поверхности патрубков, стяжек и гильз имеются отверстия для прохождения рабочей среды к расходным шайбам. Каждая расходная шайба имеет вид расширяющегося сопла, в выходном сечении которого установлен под углом к продольной оси клапана рассекатель потока в виде пластины с отверстиями. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах добычи и транспортировки газа и жидкости, в газоперекачивающих, энергетических и химических установках.

Известно дискретное устройство многопоточной схемы, содержащее разделяющую вход и выход перегородку, запорные клапаны и их привод (см. патент США N 4207919, кл. 137/487.5, 137/599, 1980). Недостатками этого устройства являются высокая металлоемкость и габариты из-за использования для запорных клапанов автономных приводов. Разброс по величине скорости движения приводов не обеспечивает монотонного характера изменения площади сечения при смене кода управления.

Наиболее близким к заявленному является дискретное запорно-регулирующее устройство многопоточной схемы, содержащее размещенную в корпусе и разделяющую входной и выходной патрубки перегородку и запорные клапаны с пневмоуправлением (см. патент РФ N 2037178, кл. G 05 D 7/06, 1995). Недостатком известного устройства является использование в каждом запорном клапане подпружиненного на закрытие расходной шайбы поршня, перемещающего без ограничения скорости движения. На величину скорости сильное влияния оказывают условия эксплуатации по температуре и загрязнению проточной части, что приводит к нестабильности характеристик клапана.

Указанные недостатки известных устройств наиболее ярко проявляются при их использовании в производственных процессах транспортировки нефти и газа с непрерывным циклом работы, в которых к надежности функционирования запорно-регулирующих устройств предъявляются повышенные требования в условиях широкого диапазона изменения температуры конструкции и рабочей среды. При этом должна быть обеспечена безотказная эксплуатация в нештатных ситуациях, например, при кратковременном наличии в проточной части клапанов влаги, загрязнений рабочей среды и т.п. Деформации конструкции, наличие посторонних включений в проточной части вызывают нестабильность динамических характеристик запорных клапанов, которая приводит к появлению забросов (провалов) величины площади проходного сечения многопоточного клапана и к ударным нагрузкам на конструкцию.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности устройств многопоточной схемы путем обеспечения жесткости их конструкции и повышения стабильности динамических характеристик запорных клапанов во всех условиях эксплуатации.

Указанный результат достигается тем, что в многопоточном клапан-дросселе, содержащем входной и выходной патрубки, размещенную в корпусе перегородку и запорные клапаны с пневмоправлением, во внутрь участка трубопровода устанавливается первая перегородка, вторая перегородка устанавливается над первой снаружи трубопровода и соединяется с корпусом цилиндрическими полыми стяжками, внутри каждой из которых у перегородки располагается расходная шайба, каждый запорный клапан содержит двухпозиционный поршень и противоударную массу, перемещающихся в расположенной внутри соответствующей стяжки гильзе, упор и две пружины, одна из которых с малым ходом расположена в полости управления между упором и противоударной массой, а вторая с большим ходом - в демпфирующей полости между противоударной массой и поршнем, на боковой поверхности патрубков, стяжек и гильз имеются отверстия для прохождения рабочей среды к расходным шайбам.

Указанный результат достигается также тем, что в нем каждая расходная шайба имеет вид расширяющегося сопла, в выходном сечении которого установлен под углом к продольной оси клапана рассекатель потока в виде пластины с отверстиями.

На фиг. 1 приведена схема многопоточного клапана-дросселя, а на фиг. 2 показан характер изменения площади проходного сечения клапана при переходе с одного значения площади (8%) на другое значение (6%).

Основой конструкции клапана является трубопровод 1 заданного диаметра, во внутрь которого устанавливается (вваривается) первая перегородка 12. Перегородка 12 сплошная, и она разделяет трубопровод 1 на входной и выходной патрубки. Снаружи трубопровода 1 над перегородкой 12 устанавливается в корпусе 4 вторая перегородка 9 в виде кольца с отверстиями, которая разделяет корпус 4 на входную и выходную части. Входная часть корпуса и перегородка 9 соединяются между собой цилиндрическими полыми стяжками 3. Во внутрь каждой стяжки устанавливаются упор 2, гильза 6 и расходная шайба 10, при этом расходная шайба устанавливается у перегородки 9. Внутри каждой гильзы 6 располагается поршень 7, а между пружинами 15 и 20 противоударная масса 5. У перегородки 9 на боковой поверхности стяжек 3 и гильз 6 имеются отверстия для прохождения рабочей среды. Отверстия также имеются на боковой поверхности трубопровода 1 в пределах стенок корпуса перед перегородкой 12 и за ней. Через указанные отверстия рабочая среда поступает со входа в клапан к расходным шайбам и далее на выход клапана к потребителю.

Трубопровод 1, корпус 4, стяжки 3, перегородки 9 и 12 образуют жесткую конструкцию, в которой ее деформации при изменении условий эксплуатации по температуре и давлению практически не передаются на гильзу 6. Это обеспечивает свободное перемещение в ней поршня 7 и противоударной массы 5. Такая силовая схема существенно повышает надежность функционирования клапана, так как сводит к минимуму влияние деформаций конструкции на возможность заклинивания подвижных элементов 5 и 7. Снижение деформаций конструкции имеет место также из-за расположения расходных шайб у перегородки 9. До перегородки 9 температура конструкции в зонах перемещения элементов 7 и 5 равна температуре входного потока.

Поршень 7, противоударная масса 5, пружины 15 и 20, а также управляющая 19 и демпфирующая 13 полости образуют запорный клапан для управления протоком рабочей среды со входа многопоточного клапана на его выход через расходную шайбу 10. Поршень 7 совмещает функции отсечного клапана и его привода. Он двухпозиционный, т. е. имеет два устойчивые крайние положения - левое и правое.

Крайнее левое положение поршня 7 (поршень в нижней части фиг. 1) реализуется при сбросе на выход клапана рабочей среды из полостей 13 и 19 через демпфирующий жиклер 16 и штуцер 18, при этом обеспечивается состояние расходной шайбы 10 ОТКРЫТО. В этом положении поршень 7 удерживается на упоре 2 силой от действия перепада давлений на клапане на площадь поршня. Крайнее правое положение поршня 7 (поршень в верхней части фиг. 1) реализуется при подаче со входа в клапан рабочей среды в полости 13 и 19 через штуцер 18 и демпфирующий жиклер 16, при этом обеспечивается состояние расходной шайбы 10 ЗАКРЫТО, т.к. поршень 7 перекрывает проток рабочей среды через шайбу. В этом положении поршень 7 удерживается возле шайбы 10 перепадом давлений на ней и силой начальной затяжки пружин 15 и 20.

Полости 13 и 19 непроточные за счет наличия уплотнений 17 и 14 на боковой поверхности поршня 7 и противоударной массы 5. Уплотнительное кольцо 8 на торце поршня 7 обеспечивает герметичность клапана в крайнем правом положении поршня. В крайнем левом его положении кольцо 8 перемещается в застойную зону с малыми скоростями течения за отверстиями в гильзе 6. В этой зоне уплотнение 8 практически не подвержено эрозионному износу.

В закрытом состоянии торец поршня 7 перекрывает отверстие расходной шайбы 10 по кольцу, диаметр которого меньше внешнего диаметра поршня. Разность этих диаметров образует неуравновешенную площадь F_нп, действие на которую перепада давления на клапане создается начальное усилие для перемещения поршня влево.

Реализация принципа двухпозиционности в запорных клапанах приводит к тому, что их подвижные механические элементы находятся во взвешенном состоянии только кратковременно на переходных режимах, а остальное время они прижаты к упорам и имеют избыточное перестановочное усилие при страгивании с них. Поэтому они менее чувствительны к загрязнению рабочей среды, а после отработки команд управления многопоточный клапан превращается в дроссельную шайбу. Это повышает надежность системы с такими клапанами, т.к. можно продолжать производственный процесс при возникновении отказных ситуаций в его узлах.

Дроссельная характеристика многопоточного клапана с двухпозиционными запорными клапанами имеет дискретный равноступенчатый характер. Она показывает зависимость между входным токовым (или иным) сигналом управления и величиной площади проходного сечения, реализующейся включением определенной комбинации расходных шайб 10 разного диаметра. Для обеспечения равноступенчатости характеристики площади проходных сечений связаны между собой определенной функциональной зависимостью, характеризуемой соответствующей дискретной неубывающей числовой последовательностью.

На разрезе "А-А" фиг. 1 по расходным шайбам и перегородкам показана реализация шестиэлементной смешанной числовой последовательности на основе двоичного кода, повторении двух последних элементов и разделения соответствующих им потоков на два с общим управлением. При этом площади проходных сечений расходных шайб от первой до предпоследней пятой включительно (F₁, F₂, F₃, F₄ и F₅) отличаются друг от друга в два раза, а площадь последней шайбы F₆ равна значению предпоследней F₅. Последняя и предпоследняя площади каждая реализуются в двух расходных шайбах - [F_5(1/2) + F_5(1/2)] и [F_6(1/2) + F_6(1/2)] . Описанная зависимость обеспечивает 47 дискретных позиций дроссельной характеристики и дает возможность продолжения производственного процесса с сохранением для управления более 82% площади проходного сечения при отказах запорных клапанов и более 65% - при отказах узлов системы управления. Это повышает надежность эксплуатации установок, т.к. нет необходимости мгновенно прекращать производственный процесс.

Обеспечение требуемой величины площади проходного сечения клапана производится открытием соответствующего числа расходных шайб. Для изменения величины площади проток рабочей среды через одни расходные шайбы открывается, а через другие - закрывается. Качество переходного процесса по величине площади сечения существенно зависит от синхронности движения всех поршней клапана.

На фиг. 2 показан характер изменения величины суммарной площади проходного сечения клапана (F) с 8% на 6%, а также изменение участвующих в формировании F величин площадей расходных шайб F₁(2%), F₂(4%) и F₃(8%), при синхронном перемещении всех трех поршней 7 и при запаздывании начала движения по времени на 25% одного из них, закрывающего площадь F₃^* (пунктирные линии на фиг. 2). Переходные процессы приведены для двух случаев - перемещении всех поршней от упора до упора за 2 секунды и при увеличенной в пять раз величине скорости движения (затененная часть фиг. 2 с временем перекладки поршней за 0.4 с).

Видно, что в обоих случаях при синхронном перемещении поршней характер переходных процессов по площади проходного сечения монотонный (сплошные линии), а при наличии запаздывания начала движения поршня расходной шайбы F₃^* реализуется заброс по площади в течение всего времени переходного процесса (точечные линии). Данный расчет показывает, что для получения монотонного характера изменения площади сечения нужно обеспечить стабильность динамических характеристик запорных клапанов. Во всех условиях эксплуатации не избежать разновременной подачи команд на открытие и закрытие расходных шайб, кратковременного заклинивания поршней и задержки начала их движения и т.п., поэтому необходимо сокращать до минимума время перекладки поршней от упора до упора.

Однако увеличение скорости перемещения поршней 7 приведет к повышенным ударным нагрузкам на конструкцию в момент ограничения их движения, т.е. при посадке на упор 2 в крайнем левом положении и на расходную шайбу 10 - в правом. Поэтому целесообразно обеспечить переменную скорости движения - максимальную в начальной фазе движения при снятии с упора, и минимальную при посадке на упор.

Плавная посадка поршня на упоры обеспечивается постановкой противоударной массы 5, введением демпфирующей полости 13 с жиклером 16 и характеристиками пружин 15 и 20. Пружина 20 расположена между упором 2 и противоударной массой 5. Она имеет малое перемещение и высокую жесткость. Пружина 15 наоборот имеет большое перемещение и низкую жесткость. Она расположена между противоударной массой 5 и поршнем 7. Уменьшение скорости поршня 7 при перемещении влево сначала происходит в результате соударения с противоударной массой 5, а потом из-за возникновения усилия от сжатия пружины 20. При перемещении поршня вправо усилие пружин 20 и 15 максимально, и они сначала обеспечивают высокую скорость движения, а затем, после разделения подвижных элементов 5 и 7, поршень плавно под действием только силы пружины 15 с малой жесткостью приближается к шайбе 10.

Переменная скорость движения поршня обеспечивает надежность функционирования многопоточного клапана и отсутствие ударных нагрузок на конструкцию при посадке на упоры. Снижение динамических нагрузок на конструкцию от истечения с высокой скоростью рабочей среды из отверстия расходных шайб 10 обеспечивается выполнением ее выходной части в виде расширяющегося сопла. При этом в выходном сечении сопла устанавливается под углом к продольной оси клапана рассекатель потока в виде пластины 11 с отверстиями. Пластина рассекает поток на отдельные струи и разворачивает их к отверстиям в выходном патрубке клапана.

Функционирование многопоточного клапана происходит следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии давления в трубопроводе и полостях клапана (состоянии при монтаже) поршни всех запорных клапанов крайнее правое положение у расходных шайб 10 из-за наличия начальной затяжки пружин 15 и 20, создающих усилие на закрытие. В закрытом состоянии торец поршня 7 закрывает отверстие в расходной шайбе 10 кольцевым уплотнением 8. Для сохранения закрытого состояния клапана при подаче давления в трубопровод система управления клапана должна обеспечить коммутацию управляющей полости запорных клапанов со входом в многопоточный клапан, при этом перепад давлений на клапане создает дополнительное усилие на прижатие поршней 7 к расходным шайбам 10.

Для открытия проходного сечения любой расходной шайбы 10 система управления клапана подсоединяет штуцер 18 соответствующей управляющей полости запорного клапана к выходу клапана. Давление в управляющей 19 и демпфирующей 13 полостях падает и под действием перепада давления на неуравновешенную площадь F_нп поршень 7 начинает перемещается в крайнее левое положение. Так как пружина 15 имеет малую жесткость, то поршень 7 движется равноускоренно, и скорость непрерывно увеличивается. При соударении поршня 7 с противоударной массой 5 происходит снижение скорости поршня. Совместное движение влево масс элементов 5 и 7 происходит с дальнейшим падением скорости из-за противодействия движению силы пружины 20, имеющей высокую жесткость. Поршень занимает крайне левое положение, и рабочая среда через отверстия во входном патрубке, стяжках, гильзах, расходной шайбе и выходном патрубке поступает со входа на его выход клапана. На первой фазе движения поршня 7 его скорость при необходимости может быть ограничена путем замедления истечения рабочей среды из демпфирующей полости 13 подбором диаметра жиклера 16.

Для закрытия проходного сечения любой расходной шайбы 10 штуцер 18 соответствующей управляющей полости запорного клапана подсоединяется системой управления ко входу в клапан. Давление в управляющей 19 и демпфирующей 13 полостях возрастает, и под действием перепада давления на площадь поршня 7 и действия сил сжатых пружин 20 и 15 противоударная масса 5 и поршень 7 начинают совместное равноускоренное движение вправо. При определенном значении их перемещения происходит разделение противоударной массы 5 и поршня 7. Скорость поршня 7 начинает непрерывно падать, так как действие силы пружины 15 из-за малой ее жесткости непрерывно уменьшается. Поршень занимает крайне правое положение и перекрывает сечение расходной шайбы 10 для протока рабочей среды.

Таким образом, использование в заявленном устройстве двух перегородок, цилиндрических стяжек для соединения корпуса и перегородки и размещения в них двухпозиционных запорных клапанов, имеющих поршень, противоударную массу, управляющую и демпфирующую полости, а также две пружины с разной величиной жесткости, повышают надежность функционирования многопоточного клапана-дросселя и обеспечивают стабильность его характеристик на переходных режимах.

Формула изобретения

1. Многопоточный клапан-дроссель, содержащий корпус, разделяющую входной и выходной патрубки перегородку и запорные клапаны с пневмоуправлением, отличающийся тем, что перегородка установлена внутри участка трубопровода, а над ней снаружи трубопровода установлена вторая перегородка, соединенная с корпусом цилиндрическими полыми стяжками, внутри каждой из которых расположены расходная шайба, запорный клапан, содержащий установленные с возможностью перемещения в гильзе двухпозиционный поршень и противоударную массу, упор и две пружины, одна из которых с малым ходом расположена в полости управления между упором и противоударной массой, а вторая с большим ходом - в демпфирующей полости между противоударной массой и упомянутым поршнем, на боковых поверхностях входного и выходного патрубков, цилиндрических стяжек и гильз выполнены отверстия для прохождения рабочей среды.

2. Многопоточный клапан-дроссель по п.1, отличающийся тем, что каждая расходная шайба имеет вид расширяющегося сопла, в выходном сечении которого установлен под углом к продольной оси клапана рассекатель потока в виде пластины с отверстиями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2