|
Назначение, классификация
РДГК, РДГД, РД, РДУ, РДНК, РДСК, РДБК, РДГ, РДУК.
Управление гидравлическим режимом работы системы газораспределения осуществляют с помощью регуляторов давления, которые автоматически поддерживают постоянное давление в точке отбора импульса независимо от интенсивности потребления газа. При регулировании давления происходит снижение начального — более высокого — давления на конечное — более низкое. Это достигается автоматическим изменением степени открытия дросселирующего органа регулятора, вследствие чего автоматически изменяется гидравлическое сопротивление проходящему потоку газа. Можно заказать регулятор давления газа онлайн!
В зависимости от поддерживаемого давления (расположения контролируемой точки в газопроводе) регуляторы давления разделяют на регуляторы «до себя» и «после себя». В ГРП (ГРУ) применяют только регуляторы «после себя».
Автоматический регулятор давления состоит из исполнительного механизма и регулирующего органа. Основной частью исполнительного механизма является чувствительный элемент, который сравнивает сигналы задатчика и текущего значения регулируемого давления. Исполнительный механизм преобразует командный сигнал в регулирующее воздействие и в соответствующее перемещение подвижной части регулирующего органа за счет энергии рабочей среды (это может быть энергия газа, проходящего через регулятор, либо энергия среды от внешнего источника — электрическая, сжатого воздуха, гидравлическая).
Если перестановочное усилие, развиваемое чувствительным элементом регулятора, достаточно большое, то он сам осуществляет функции управления регулирующим органом. Такие регуляторы называются регуляторами прямого действия. Для достижения необходимой точности регулирования и увеличения перестановочного усилия между чувствительным элементом и регулирующим органом может устанавливаться усилитель — командный прибор (иногда называемый «пилотом»). Измеритель управляет усилителем, в котором за счет постороннего воздействия (энергии рабочей среды) создается усилие, передающееся на регулирующий орган.
Так как в регулирующих органах регуляторов давления происходит дросселирование газа, то их иногда называют дросселирующими.
В связи с тем, что регулятор давления газа предназначен для поддержания постоянного давления в заданной точке газовой сети, то всегда необходимо рассматривать систему автоматического регулирования в целом — «регулятор и объект регулирования (газовая сеть)». Принцип работы регуляторов давления газа основан на регулировании по отклонению регулируемого давления. Разность между требуемым и фактическим значениями регулируемого давления называется рассогласованием. Оно может возникать вследствие различных возбуждений — либо в газовой сети из-за разности между притоком газа в нее и отбором газа, либо из-за изменения входного (до регулятора) давления газа.
Правильный подбор регулятора давления должен обеспечить устойчивость системы «регулятор-газовая сеть», т. е. способность ее возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения возмущения.
Исходя из закона регулирования, положенного в основу работы,регуляторы давления бывают астатические, статические и изодромные.
В системах газораспределения два первых типа регуляторов получили наибольшее распространение.
В астатических регуляторах на чувствительный элемент (мембрану) действует постоянная сила от груза 2. Активная (противодействующая) сила — это усиление, которое воспринимает мембрана от выходного давления Р2. При увеличении отбора газа из сети 4 будет уменьшаться давление Р2, баланс сил нарушится, мембрана пойдет вниз и регулирующий орган откроется.
Такие регуляторы после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего органа. Равновесие системы может наступить только при заданном значении регулируемого давления, причем регулирующий орган может занимать любое положение. Такие регуляторы следует применять на сетях с большим самовыравниванием, например, в газовых сетях низкого давления достаточно большой емкости.
Люфт, трение в сочленениях могут привести к тому, что регулирование станет неустойчивым. Для стабилизации процесса в регулятор вводят жесткую обратную связь. Такие регуляторы называются статическими. При статическом регулировании равновесное значение регулируемого давления всегда отличается от заданной величины, и только при номинальной нагрузке фактическое значение становится равным номинальному. Статические регуляторы характеризуются неравномерностью.
В регуляторе груз заменен пружиной — стабилизирующим устройством. Усилие, развиваемое пружиной, пропорционально ее деформации. Когда мембрана находится в крайнем верхнем положении (регулирующий орган закрыт), пружина приобретает наибольшую степень сжатия и Р2 — максимальное. При полностью открытом регулирующем органе значение Р2 уменьшается до минимального. Статическую характеристику регуляторов выбирают пологой, с тем чтобы неравномерность регулятора была небольшой, при этом процесс регулирования становится затухающим.
Изодромный регулятор (с упругой обратной связью) при отклонении регулируемого давления Р2 сначала переместит регулирующий орган на величину, пропорциональную величине отклонения, но если при этом давление Р2 не придет к заданному значению, то регулирующий орган будет перемещаться до тех пор, пока давление Р2 не достигнет заданного значения.
Термины, используемые для характеристики работы регуляторов давления газа РДГК РДГД РД РДУ РДНК РДСК РДБК РДГ РДУК.
Статическая ошибка — отклонение регулируемого давления от заданного при установившемся режиме, также называют неравномерностью регулирования.
Динамическая ошибка — максимальное отклонение давления в переходный период от одного режима к другому.
Ход клапана — расстояние, на которое перемещается клапан от седла.
Диапазон настройки — разность между верхним и нижним пределами давления, между которыми может быть осуществлена настройка регулятора.
Верхний предел настройки давления — максимальное выходное давление, на которое может быть настроен регулятор.
Зона регулирования — разность между регулируемыми давлениями при 10 % и 90 % от максимального расхода.
Зона нечувствительности — разность регулируемого давления, необходимая для изменения направления движения регулирующего органа.
Зона пропорциональности — изменение регулируемого давления, необходимое для перемещения регулирующего органа (клапана) на значение его номинального (полного) хода.
Условная пропускная способность Кv — величина, равная расходу воды плотностью 1 г/см³ (1000 кг/м³) в кубических метрах в час через регулятор при номинальном (полном) ходе клапана и перепаде давления 0,1 МПа (1 кг/см²).
Относительная протечка — отношение максимального значения протечки воды через затвор регулирующего органа при перепаде давления на 0,1 МПа и условной пропускной способности Кv.
Конструкции регуляторов давления газа должны удовлетворять следующим требованиям:
• зона пропорциональности не должна превышать 20 % верхнего предела настройки выходного давления для комбинированных регуляторов и регуляторов баллонных установок и 10 % для всех других регуляторов;
• зона нечувствительности не должна быть более 2,5 % верхнего предела настройки выходного давления;
• постоянная времени (время переходного процесса регулирования при резких изменениях расхода газа или входного давления) не должна превышать 60 с.
Основными элементами регулирующих (дросселирующих) органов являются затворы. Они могут быть одно седельные, двух седельные, диафрагменные и шланговые, крановые и заслоночные.
В городских системах газоснабжения в основном применяют регуляторы с одно- и двух седельными затворами, реже — с заслоночными и шланговыми.
Одно седельные и двух седельные затворы могут выполняться как с жестким уплотнением (металл по металлу), так и с эластичным (прокладки из маслобензостойкой резины, кожи, фторопласта и т. п.). Такие затворы состоят из седла и клапана. Достоинством одно седельных затворов является то, что они легко обеспечивают герметичность уплотнения.
Однако клапаны одно седельных затворов являются не разгруженными, т. к. на них действует разность входного и выходного давлений.
В регуляторах давления газа широко применяют тарельчатые плоские клапаны с эластичным уплотнением. Полный ход плоского клапана, при котором будет осуществляться процесс регулирования, определяется из равенства боковой поверхности цилиндра с диаметром седла dс, высотой подъема клапана
h и площади седла клапана: (πdс²)/4=πdсh, h=0.25dс
Для примера: регулятор с диаметром седла 4 мм имеет полный ход клапана 1 мм. Практически высоту подъема плоского тарельчатого клапана принимают (0,3+0,4)dс. Дальнейший подъем клапана не сказывается на его пропускной способности. При изменении формы затвора ход клапана можно увеличить.
Двух седельные затворы при тех же условиях обладают значительно большей пропускной способностью вследствие большей суммарной площади проходного сечения седел. Эти клапаны являются разгруженными, однако при отсутствии расхода газа они не обеспечивают герметичности, что объясняется трудностью посадки затвора одновременно по двум плоскостям. Двух седельные регулирующие органы используют чаще в регуляторах с постоянным источником энергии.
Заслоночные затворы применяют обычно в ГРП с большими расходами газа (например, ТЭЦ) и используют как регулирующий орган регуляторов непрямого действия с посторонним источником энергии.
В регуляторах давления газа, устанавливаемых в ГРП, в качестве чувствительного элемента и одновременно привода в основном используют мембраны (плоские и гофрированные).
Плоская мембрана представляет собой круглую плоскую пластину из эластичного материала. Мембрана зажимается между фланцами верхней и нижней мембранных крышек. Центральная часть мембраны с обеих сторон зажата между двумя круглыми металлическими дисками (обжимными). Жесткие диски увеличивают перестановочную силу и уменьшают неравномерность регулирования.
Перестановочное усилие, развиваемое мембраной, зависит от величины так называемой эффективной площади мембраны. Она изменяется в зависимости от прогиба мембраны. Перестановочное усилие определяется по формуле:
N = cFP,
где c — коэффициент активности мембраны; F — площадь мембраны (в проекции на плоскость ее заделки); P — избыточное давление рабочей среды; cF — активная площадь мембраны.
Зависимость коэффициента активности мембраны c от величины ее относительного прогиба Δh
В связи с тем, что при различном прогибе мембраны значения коэффициента активности изменяются, изменяется и перестановочное усилие мембраны. Это создает неравномерность регулирования. Поэтому для плоской мембраны с двумя обжимными металлическими дисками (диаметром 0,8 диаметра мембраны) оптимальным является участок на кривой при изменении Δh от 0 до 1/2, соответственно, коэффициент активности c изменяется в пределах от 1 до 2/3 (~ от 100 до 67 %).
Диаметр обжимных дисков принято выбирать не более 0,8 диаметра мембраны для обеспечения необходимой подвижности мембранного привода.
Основные принципы выбора регуляторов
РДГК РДГД РД РДУ РДНК РДСК РДБК РДГ РДУК
Выбор регуляторов давления газа необходимо производить с учетом следующих факторов:
• тип объекта регулирования;
• максимальный и минимальный требуемый расход газа;
• максимальное и минимальное входное давление;
• максимальное и минимальное выходное давление;
• точность регулирования (максимально допустимое отклонение регулируемого давления и время переходного процесса регулирования);
• необходимость полной герметичности при закрытии регулятора;
• акустические требования к работе регуляторов с высокими входными давлениями и большими расходами газа.
Основным требованием при подборе регулятора давления является обеспечение устойчивости его работы на всех возможных режимах, что проще всего добиться правильным выбором регулятора для того или иного объекта. Для тупикового газопровода (с отбором газа в конце газопровода) следует применять статические регуляторы прямого действия. В случае больших расходов газа — непрямого действия. Для кольцевых и разветвленных газовых сетей, учитывая их способность к самовыравниванию, в принципе можно использовать любые типы регуляторов, но так как эти сети имеют обычно большие расчетные расходы, то лучше применять астатические регуляторы непрямого действия (с пилотом). Эти регуляторы позволяют более точно поддерживать давление после себя.
Неравномерность регулирования у статических регуляторов давления прямого действия ±(0–20) %, статических непрямого действия (с пилотом) и астатических ±(5–10) %.
При подключении к сетям высокого давления, давление в которых имеет значительные колебания, а также учитывая практически существующие конструкции регуляторов, может оказаться, что одноступенчатое снижение давления не применимо. В этом случае следует либо выбирать двухступенчатый регулятор давления, либо применить двухступенчатое редуцирование, при котором первым регулятором давление снижается до промежуточного значения, а вторым — до необходимого с высокой точностью.
При выборе регулятора давления необходимо учитывать явления, связанные с шумом работающего регулятора. Возникновение шумов вызвано газодинамическими колебательными процессами у дроссельных органов и стенок регуляторов. При совпадении частоты колебаний амплитуда колебаний клапана может резко возрасти, что приведет к износу и разрушению клапана, сильной вибрации регулятора. Наиболее эффективный метод снижения амплитуд колебаний — установка гасителя шума (перфорированного патрубка) сразу после редуцирования газа.
Пропускную способность регуляторов давления обычно определяют по аналогии с истечением газа через суживающееся сопло или сопло постоянного сечения, считая процесс адиабатическим. При постоянном входном давлении Р1 скорость истечения и объемный расход растут с уменьшением противодавления (выходного давления) Р2 только до достижения отношения Р2/Р1 определенного для данного газа значения, которое называют критическим (Р2 и Р1 — абсолютные давления).
Для природного газа с показателем адиабаты К=1,31 критическое отношение можно принимать равным 0,5. То есть в регуляторе давления, который поддерживает низкое давление 2000 Па (200 мм вод. ст.), при входном избыточном давлении в 0,1 МПа и более наступает критический режим истечения газа. При этом скорость газа, проходящего через седло, постоянна и равна скорости звука в данном газе, достигнутой при критическом отношении давлений.
Объемный расход газа при рабочих условиях остается неизменным и при дальнейшем понижении давления Р2 и повышении Р1. Однако при этом изменяется массовый расход газа, а также объемный расход, приведенный к нормальным физическим условиям.
При до критическом режиме истечения пропускная способность определяется квадратичной зависимостью разности входного и выходного давлений (перепада давления) ΔР=Р1–Р2. При критическом и сверхкритическом режимах пропускная способность зависит только от входного давления и прямо пропорциональна ему.
Пропускную способность регулятора давления с одно седельным затвором можно определить по формуле:
Q0=1595φαP1fс√1/ρ0,
где Q0 — расход газа через регулятор, м³/ч (при Р=0,1013 МПа, t=0° С); φ — коэффициент, зависящий для данного газа от Р2/Р1 α — коэффициент расхода (приводится в технической характеристике регулятора); fс — площадь седла, см² (если шток клапана проходит через седло, то площадь седла надо рассчитывать за вычетом площади сечения штока); Р1, Р2 — абсолютное давление, МПа; ρ0 — плотность газа, кг/м³ (при Р=0,1013 МПа, t=0° С).
Приняв плотность природного газа при н. у. равной 0,73 кг/м³, получим:
Q=1866φαP1fс
При температуре газа t1=+20° С ошибка формулы составит 3,5 %.
Выбор регулятора производят из условия, что его пропускная способность должна быть на 15–20 % больше максимального часового расхода газа потребителем. Это означает, что регулятор будет загружен при максимальном газопотреблении не более, чем на 80 %, а при минимальном газопотреблении — не менее, чем на 10 %. Если это условие не будет выполняться, то при максимальном отборе газа регулирующий орган будет полностью открыт и не сможет выполнять функции регулирования. Регулирование обеспечивается только тогда, когда регулирующий орган и исполнительный механизм находятся в подвижном состоянии. При снижении отбора газа ниже предельного могут возникнуть автоколебания (пульсации, вибрации) клапана.
В системах газораспределения наиболее распространены следующие типы регуляторов давления (по виду нагрузки): регуляторы прямого действия с пружинной и рычажно-пружинной нагрузками и регуляторы непрямого действия с командным прибором (пилотом).
Принципиальная схема регулятора первой группы. К ним можно отнести регуляторы РДГД-20 и РДСК-50 в которых усилие рабочей мембраны передается непосредственно на клапан, находящийся на штоке и закрепленный в центре мембраны. В целях разгрузки клапана от влияния входного давления используется дополнительная разгрузочная мембрана.
Вторая группа — это беспилотные регуляторы типа РД-32М, РД-50М, РДНК-400. Для них характерно наличие рычажной системы передачи усилия от рабочей мембраны на регулирующий клапан. За счет различия в длинах плеч коленчатого рычага уменьшается сила воздействия входного давления на клапан регулятора. Усилие мембранного привода на клапан при этом увеличивается, что обеспечивает более высокое уплотняющее усилие на клапан. Для РД-32М соотношение плеч рычага равно 6.
У беспилотных регуляторов первой и второй групп органом настройки регулируемого выходного давления является настоечная пружина, воздействующая на рабочую мембрану.
Ограниченные размеры пружины и мембраны определяют следующие особенности:
• узкий диапазон выходного регулируемого давления, величина которого определяется параметрами настоечной пружины;
• «наклонную» расходную характеристику. Это означает, что с увеличением расхода газа через регулятор от 0 до 100 % выходное давление в определенном соотношении для каждого типа регулятора уменьшается;
• пропускная способность этих регуляторов невелика.
Третья группа регуляторов — устройства типа РДУК2, РДБК1, РДГ. Их характерная особенность — наличие регулятора управления (пилота). Процесс регулирования определяется взаимодействием выходного давления на рабочую мембрану, силы так называемого управляющего давления, подаваемого из пилота в под мембранное пространство, грузом подвижных частей, силами трений в соединениях.
Газ входного давления поступает в пилот. Пилот поддерживает постоянное давление под рабочей мембраной регулятора. По импульсному трубопроводу газ выходного давления поступает на мембрану. Через дроссель избыток газа после пилота постоянно сбрасывается.
Настройка регуляторов на требуемое выходное давление производится изменением усилия сжатия регулировочной пружины 11 пилота, а также открытием или закрытием проходного сечения регулируемых дросселей 6 и 7. Под мембранная полость пилота сообщена с атмосферой.
Если Рвых уменьшилось, то уменьшится и давление над рабочей мембраной, клапан 4 вместе с мембраной поднимается, расход газа через регулятор увеличивается, Pвых возрастает вновь до заданного значения.
Пилотные регуляторы имеют достаточно широкие интервалы входного и выходного давления и пропускной способности. Эти факторы обеспечиваются воздействием на рабочую мембрану регулятора под мембранного управляющего давления, создаваемого пилотом, вместо непосредственного воздействия настоечной пружины на мембрану.
По сравнению с пружинными регуляторами прямого действия, пилотные имеют следующие преимущества:
• возможность обеспечения достаточно широких интервалов выходного регулируемого давления 0,01–0,06 МПа и 0,06–0,6 МПа;
• обеспечение достаточно большой пропускной способности;
• возможность в ряде случаев перенастройки регуляторов на рабочие параметры без прекращения подачи газа к потребителям.
При уменьшении расхода газа через регулятор, а также при увеличении давления на входе в регулятор часто возникают незатухающие резкие колебания выходного давления, так называемая «качка». В первом случае клапан регулятора находится на малой высоте от седла и даже небольшие перемещения клапана приводят к ощутимому изменению расхода. Во втором случае увеличенное входное давление прижимает клапан к седлу и возникают колебания клапана.
Причинами «качки» выходного давления может быть наличие в непосредственной близости от входа в регулятор запорной арматуры, измерительных дроссельных шайб, сужений или расширений газопровода, резких поворотов газопровода.
Эти причины приводят к нестабильности газового потока на входе в регулятор. Нестабильный поток газа воздействует непосредственно на тарелку клапана регулятора.
«Качку» выходного давления могут вызвать:
• недостаточно тщательная настройка режима работы регулируемыми дросселями;
• выбор места отбора импульса выходного давления в такой точке газопровода, где поток газа имеет нестабильные параметры;
• наличие резких сужений импульсного трубопровода между регулятором и выходным газопроводом;
• некачественная врезка импульсного газопровода в стенку выходного газопровода. Врезаемый импульсный трубопровод не должен выступать внутрь выходного газопровода, иначе произойдет искажение отбираемого импульса выходного давления;
• недоработки отдельных узлов регулятора:
- регулировочная пружина пилота не заторцована;
- стяжной узел мембраны пилота установлен не по центру;
- слишком «мягкая» пружина пилота;
- увеличенный зазор между штоком клапана пилота и втулкой;
- неровная поверхность мягкого уплотнения клапана пилота;
- клапан пилота неравномерно по плоскости подходит к кромке седла;
- дефекты опорной тарелки пружины пилота;
- ход штока клапана пилота не соответствует норме.
| 
