Дискретный клапан-дроссель с импульсной системой управления

 

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 производственных процессов с запорно-регулирующими клапанами, улучшении их экологических и эксплуатационных характеристик - отказоустойчивости и ремонтопригодности. Клапан-дроссель содержит размещенную в корпусе и разделяющую входной и выходной патрубки перегородку, коллекторы подвода и утилизации рабочей среды, запорные органы, преобразователи и блок управления, запорные органы содержат расходную шайбу, управляющую полость и подпружиненый на закрытие двухпозиционный поршень, преобразователи выполнены в виде трехпроходного органа, вход рабочей среды которого связан с коллектором подвода, первый выход - с управляющей полостью запорного органа, второй - с коллектором утилизации, и содержат снабженный концевыми сигнализаторами двухпозиционный электромеханический привод, электрический вход которого связан с выходом блока управления, а электрический выход сигнализаторов - с вторыми его входами, а сам блок снабжен первым входом внешнего сигнала управления. Числу преобразователей ставятся в соответствие площади проходных сечений расходных шайб, значения которых от первой до предпоследней включительно отличаются друг от друга в два раза, а последней - равно значению предпоследней, при этом последняя и предпоследняя площади каждая реализуются в двух запорных органах, объединенных одним преобразователем. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

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

Известно дискретное устройство, содержащее разделяющую вход и выход перегородку с запорными клапанами и электромагнитными клапанами управления (см. патент США N 4019533, кл. 137/599, 1977).

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

Наиболее близким к заявленному является дискретное запорно-регулирующее устройство, содержащее размещенную в корпусе и разделяющую входной и выходной патрубки перегородку с запорными клапанами, преобразователи с электрическим входом и блок управления (см. патент РФ N 2037178, кл. G 05 D 7/06, 1995).

Недостатками известного устройства являются наличие постоянного сброса газа из агрегатов управления в атмосферу, низкая надежность из-за расположения большого числа запорных клапанов в перегородке, необходимость прекращения производственного процесса при любых отказах отдельных узлов для проведения ремонтных работ.

Указанные недостатки известных устройств наиболее ярко проявляются при их использовании в производственных процессах с непрерывным циклом работы, в которых к надежности функционирования и экологическим характеристикам запорно-регулирующих устройств предъявляются повышенные требования и особенно в условиях отказов узлов. При этом до проведения ремонтных работ должна быть обеспечена возможность продолжения производственного процесса с ухудшенными характеристиками, а ремонт должен проводиться без демонтажа с объекта.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности производственных процессов с запорно-регулирующими клапанами, улучшении их экологических и эксплуатационных характеристик - отказоустойчивости и ремонтопригодности Указанный результат достигается тем, что в дискретном клапане-дросселе с импульсной системой управления, содержащем размещенную в корпусе и разделяющую входной и выходной патрубки перегородку, коллектор подвода и утилизации рабочей среды, запорные органы, преобразователи и блок управления с первым входом внешнего сигнала управления, запорные органы содержат управляющую полость и подпружиненный на перекрытие расходной шайбы двухпозиционный поршень, преобразователи выполнены каждый в виде трехпроходного органа, вход рабочей среды которого связан с коллектором подвода, первый выход - с управляющей полостью запорного органа, второй - с коллектором утилизации, и содержат снабженный концевыми сигнализаторами двухпозиционный электромеханический привод, электрический вход которого связан с выходом блока управления, а электрический выход сигнализаторов - с вторым его входами.

Указанный результат достигается также тем, что в нем установлены два двухпозиционных трехпроходных и обратный клапаны, при этом вход первого трехпроводного клапана соединен с входом коллектора подвода, первый его выход - с источником рабочей среды, а второй выход - с коллектором ее утилизации, вход второго трехпроходного клапана соединен с коллектором утилизации, первый его выход - с выходным патрубком, а второй - с входом в обратный клапан, выход которого соединен с трубопроводом утилизации, установлены также по числу преобразователей двухпозиционные клапаны, вход которого соединен с первым выходом преобразователя, а выход - с входом в управляющую полость.

Указанный результат достигается также и тем, что преобразователи снабжены двухпозиционным ручным механическим входом, а блок управления - органами ручного электроуправления, электрический вход которых связан с источником электропитания, а выход - с выходами блока управления.

Указанный результат достигается еще и тем, что числу преобразователей ставятся в соответствие площади проходных сечений расходных шайб, значения которых от первой до предпоследней включительно отличаются друг от друга в два раза, а последней - равно значению предпоследней, при этом последняя и предпоследняя площади каждая реализуются в двух запорных органах, объединенных одним преобразователем.

На фиг. 1 приведены схема дискретного клапана-дросселя с импульсной системой управления и его коммуникации; на фиг. 2 - зависимость величины площади проходного сечения от токового сигнала управления.

Дискретный клапан-дроссель с импульсной системой управления (ДКД) содержит разделяющую входной 1 и выходной 9 патрубки перегородку 7, соединенную с корпусом 2 цилиндрическими полыми стяжками 3, коллекторы подвода рабочей среды 21 и ее утилизации 12. Стяжки 3 обеспечивают жесткость системы и препятствуют передаче деформаций корпуса 2 и перегородки 7 на запорные органы, которые располагаются внутри стяжек и имеют расходную шайбу 8, управляющую полость 35 и подпружиненный на закрытие двухпозиционный поршень 6, перемещающийся в гильзе 4. Преобразователи 30 имеют двухпозиционный трехпроходный орган 16 (шар или золотник), вход рабочей среды которого связан с коллектором подвода 21, первый выход - с управляющей полость 35, а второй - с коллектором 12 утилизации, и электромеханический привод 18 с концевыми сигнализаторами, электрический вход 15 привода 18 связан с выходом 23 блока 29 управления, а электрические выходы 19 и 20 сигнализаторов - с вторыми входами 27 блока 29, преобразователи 30 снабжены также двухпозиционным ручным механическим входом 17, функционирующим без электропитания. Блок 29 управления снабжен первым входом 26 внешнего сигнала, который преобразуется кодовым устройством 25 в соответствующий числу преобразователей 30 код управления, отражающий, какое состояние ОТКРЫТО или ЗАКРЫТО должны занять поршни 6 для обеспечения требуемой площади сечения ДКД. Код поступает на первый вход формирователя 24 импульсов, а с его выхода 23 - на электрический вход 15 привода 18. Подача импульсов прекращается формирователем после поступления сигнала с электрических выходов 19 и 20 концевых сигнализаторов, например герконов, привода 18, при этом выходы 19 и 20 отражают состояние ОТКРЫТО или ЗАКРЫТО органа 16 преобразователя. Блок 29 управления снабжен органами 22 ручного дистанционного электроуправления, электрический вход которых связан с источником 28 электроуправления, в выход - с выходами 23 блока 29.

Реализация принципа двухпозиционности в запорных органах и преобразователя 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 после отработки конечной серии импульсов управления ДКД превращается в дроссельную шайбу. Это повышает надежность системы, так как можно продолжать производственный процесс при возникновении отказных ситуаций по узлам ДКД. Органы управления позволяют вручную управлять производственным процессом при отказах, что также повышает надежность.

ДКД содержит также двухпозиционный трехпроходный клапан 32 подвода рабочей среды, при этом его вход соединен с входом коллектора 21 подвода, первый выход - с источником рабочей среды, а второй выход - с коллектором 12 ее утилизации, и двухпозиционный трехпроводный клапан 11, вход которого соединен с коллектором 12 утилизации, первый выход - с выходным патрубком 9, а второй - с входом в обратный клапан 13, выход которого соединен с трубопроводом 14 утилизации. Установлены также по числу преобразователей 30 двухпозиционные клапаны 10, вход которых соединен с первым выходом преобразователя 30, а выход - с входом в управляющую полость 35. На линии между клапаном 32 и коллектором 20 может устанавливаться фильтр 31. В качестве рабочей среды преобразователей 30 может использоваться протекающая через ДКД среда и тогда трубопровод 33 подключаться к входному патрубку 1 или же трубопровод 33 подключается к внешнему источнику среды, давление в котором не ниже давления на выходе в ДКД.

Клапаны 10, 11 и 32 технологические. Они обеспечивают функционирование и проведение ремонтных работ при отказах. При этом работы, связанные с заменой запорных органов, проводятся без демонтажа корпуса ДКД с трубопровода, а ремонт блока управления и преобразователей может производится без прекращения производственного процесса.

Улучшение экологических характеристик ДКД достигается сбросом рабочей среды из коллектора утилизации 12 в выходной патрубок 9. В случаях эксплуатации ДКД с малым значением на нем перепада давлений утилизация производится через трубопровод 14 в атмосферу, для чего вход клапана 11 коммутируется с вторым его выходом, а обратный клапан 13 обеспечивает безопасность эксплуатации. Постановка клапана 13 препятствует попаданию атмосферного воздуха в коллектор 12 утилизации, управляющие полости 35 и его смешению там с рабочей средой.

В дискретном клапане-дросселе реализована многопоточная схема, при этом поток во входном патрубке 1 перед перегородкой 7 разделяется на несколько потоков, в каждом из которых установлен запорный орган с расходной шайбой определенного диаметра (см. на фиг. 1 разрез А-А по расходным шайбам). В выходном патрубке 9 потоки объединяются в один. Дроссельная характеристика ДКД имеет дискретный (ступенчатый) характер (фиг. 2) и показывает зависимость между входным токовым (или иным) сигналом управления и величиной площади проходного сечения, реализующейся включением определенной комбинации преобразователей (их номера даны на оси ординат) и, следовательно, комбинации расходных шайб. Для повышения надежности число преобразователей должно быть минимальным.

Как известно, если М числам поставить в соответствие М предметов, характеризуемых действительными числами, то последние образуют числовую последовательность, а если задан закон ее построения, позволяющий продлить ее до бесконечности, то такие последовательности дискретные.

Для ДКД числу преобразователей М ставятся в соответствие площади проходных сечений расходных шайб Fj, значения которых образуют дискретную неубывающую числовую последовательность {Fj} = {F1, F2, F3,..., Fm}, j = 1, 2, 3...M. (1) После деления значений элементов последовательности (1) на значение первого элемента (величину площади Fmin расходной шайбы с минимальным диаметром) получим целочисленную числовую последовательность {Zj}, которая характеризует функциональную зависимость между площадями расходных шайб для обеспечения требуемой дискретности {Zj} = {Z1, Z2, Z3,..., Zm}, j = 1, 2, 3...M. (2) Значение первого элемента функциональной последовательности (2) всегда равно единице, а для получения равноступенчатости дроссельной характеристики по площади проходного сечения значение каждого следующего элемента должно быть не меньше предыдущего и не больше увеличенного на единицу значения суммы всех предыдущих элементов. Каждому элементу последовательности соответствует команда управления, реализуемая соответствующим преобразователем и запорным органом.

Сумма элементов функциональной последовательности {Zj}, от первого до последнего (m-го) равна числу дискретных позиций N Z1+22+...+Zm = (F1/Fmin+F2/Fmin+...+Fm/Fmin) = Fmax/Fmin = N, (3) где Fmax - суммарное значение площади расходных шайб.

Из (3) нетрудно видеть, что для расчета величины площади проходного сечения расходных шайб справедливы следующие выражения: F1 = Fmax·Z1/N, F2 = Fmax·Z2/N,..., Fm = Fmax·Zm/N. (4)
После деления в выражениях (4) величин Fj на Fmax получим числовую последовательность { Dj} , элементы которой равны отношению значения элемента последовательности { Zj} на число дискретных уровней, и они характеризуют долю площади проходного сечения каждой расходной шайбы в общей площади проходного сечения клапана-дросселя.

{Dj} = {Z1/N, Z2/N,..., Zm/N}, j = 1, 2, 3... M. (5)
При использование последовательности (5) для анализа отказоустойчивости ДКД ее элементы отражают деградацию дроссельной характеристики, так как они показывают исключаемую из управления долю общей площади при отказах, и их целесообразно назвать последовательностями отказоустойчивости с коэффициентами деградации площади сечения.

Реализация требуемой дискретности по площади проходного сечения обычно проводится путем использования функциональной зависимости цифрового двоичного кода, в которой площади сечений расходных шайб отличаются друг от друга в два раза. Соответствующая функциональная последовательность {Zj} для шести элементов, обеспечивающих 63 дискретных позиций, и последовательность отказоустойчивости {Dj}, у которой значения коэффициентов деградации расчитаны в %, имеют вид
{Zj} = {1, 2, 4, 8, 16, 32}, (6а)
{Dj} = {1.59, 3.17, 6.35, 12.70, 25.40, 50.79}. (6б)
Так как последовательности {Zj} не убывающие, то величина коэффициентов деградации увеличивается с ростом номера элемента последовательности. Она максимальна при отказе узлов ДКД, соответствующего последнему элементу, и при использовании двоичного кода величина коэффициента деградации площади проходного сечения примерно 51%, т.е. при отказе исключается из управления 51% площади.

Уменьшение максимальной величины коэффициента деградации будет при использовании числовых последовательностей на основе повторения элементов, т. е. группы сечений имеют одинаковые площади. Например:
{Zj} = {1, 1, 1, 1, 5, 5, 5, 5}, (7а)
{Dj} = {4.17, 4.17, 4.17, 4.17, 20.8, 20.8, 20.8, 20.8}, (7б)
Последовательность 7а обеспечивает более чем в два раза снижение максимальной величины коэффициента деградации, однако она реализует всего 24 дискретных уровня дроссельной характеристики. Для компенсации снижения N требуется увеличение числа элементов (числа преобразователей и запорных органов), что снижает надежность.

Положительное свойства последовательности двоичного кода обеспечивать быстрый рост числа дискретных уровней (это геометрическая прогрессия со знаменателем 2), а последовательности с повторением элементов снижать величины коэффициентов деградации будут реализованы в мешанных числовых последовательностях на основе двоичного кода и повторения двух последних элементов. Для шести элементов смешанной последовательности имеем
{Zj} = { 1, 2, 4, 8, 16, 16}, (8а)
{Dj} = {2.13, 4.26, 8.51, 17.02, 34.04, 34.04}. (8б)
Переход на смешанные последовательности с повторением в них двух последних элементов обеспечивает снижение максимальной величины коэффициента деградации на 17% по сравнению с двоичным кодом, при этом незначительно снижается число дискретных позиций N при том числе элементов -47 вместо 63 для двоичного кода.

Дальнейшее снижение величин коэффициентов деградации возможно путем разделения на двое потоков, соответствующих максимальным величинам коэффициентов деградации. Команда управления остается одна, и при ее поступлении в каждом из потоков срабатывают свой преобразователь и запорный орган, а при их отказе отключается из управления только половина площади. Соответствующие величины коэффициентов деградации уменьшаются вдвое, однако при отказах в узлах формирования команд управления величина коэффициентов деградации не изменяется. В этом случае последовательности отказоустойчивости будут различны при отказах запорных органов и отказах узлов управления.

На разрезе по расходным шайбам фиг. 1 показана реализация шестиэлементной смешанной функциональной последовательности на основе двоичного кода, повторении двух последних элементов и разделении для них потоков. Учитывая, что ДКД может функционировать длительное время с зафиксированным положением запорных органов при закрытых клапанах 10 и в это время возможны работы по ремонту преобразователей и блока управления, то целесообразно использовать один преобразователь для управления запорными органами двух разделенных потоков.

В этом случае будут две последовательности отказоустойчивости: {Dj-3} при отказах запорных органов и {Dj-П} при отказах преобразователей и узлов блока управления.

{Zj} = {1, 2, 4, 8, 16, 16},
{Dj-3} = {2.13, 4.26, 8.51, 17.02, 17.02, 17.02, 17.02, 17.02},
{Dj-П} = {2.13, 4.26, 8.51, 17.02, 34.04, 34.04}.

Проведенный анализ показывает, что при использовании смешанных функциональных последовательностей на основе двоичного кода, повторении последних ее элементов и разделении соответствующих им потоков на два с общим управлением, т.е. когда числу преобразователей ставятся в соответствие площади проходных сечений расходных шайб, значения которых от первой до предпоследней включительно отличаются друг от друга в два раза, а последней - равно значению предпоследней, при этом последняя и предпоследняя площади каждая реализуются в двух запорных органах, объединенных одним преобразователем, обеспечивается продолжение производственного процесса с сохранением для управления более 82% площади проходного сечения при отказах запорных органов и более 65% при отказах узлов управления и преобразователей. Это повышает надежность эксплуатации установок, так как нет необходимости мгновенно прекращать производственный процесс и у обслуживающего персонала имеется время для принятия правильного решения.

Функционирование ДКД происходит следующим образом. В исходном состоянии клапаны 10 открыты и соединяют управляющие полости 35 с первым выходом преобразователей 30. Клапан 32 обеспечивает подвод рабочей среды из входного патрубка 1 по трубопроводу 33 к коллектору 21, для чего первый выход клапана 32 коммутируется с трубопроводом 33. Клапан 11 обеспечивает утилизацию рабочей среды в выходной патрубок 9, для чего его первый выход коммутируется с трубопроводом 38. Сигнал управления отсутствует и все поршни 6 запорных органов перекрывают сечения расходных шайб (см. верхнее положение поршня фиг. 1), для чего соответствующий преобразователь 30 обеспечивает соединение своего входа с первым выходом и, следовательно, с управляющей полостью 35. Под действием силы пружины 36 и силы давления рабочей среды на поршень 6 он занимает крайнее правое положение. В закрытом состоянии торец поршня 6 закрывает отверстие в расходной шайбе 8 по кольцу 5 уплотнения, диаметр которого меньше внешнего диаметра поршня 6. Разность этих диаметров образует неуравновешенную площадь 37, величина которой формирует усилие на открытие поршня 6.

При подаче на вход 26 блока 29 управления сигнала управления он преобразуется в кодовом устройстве 25 и далее в формирователе 24 в импульсы заданной длительности и полярности, при этом полярность "+" соответствует срабатыванию преобразователя на открытие поршнем 6 сечения расходной шайбы 8, а полярность "-" - на ее закрытие. При J_вх = 4 мА импульсы полярности "+" подаются только на электрический вход 15 преобразователя 30-1. При этом его привод 18 перемещается от одного своего упора до другого и трехпроходный орган 16 коммутирует свой вход с вторым выходом, обеспечивающим сброс рабочей среды из управляющей полости 35. Под действием перепада давления на неуравновешенную площадь 37 поршня 6 он перемещается в крайнее левое положение до упора 34 (см. нижнее положение поршня 6 на фиг. 1). При этом проходное сечение расходной шайбы 8-1 открывается и рабочая среда со входа ДКД через отверстия во входном патрубке, стяжке, гильзе, расходной шайбе и выходном патрубке поступает на его выход. По окончании перемещения привода 18 срабатывает концевой выключатель и с его выхода 19 поступает сигнал на второй вход 27 блока 29 и далее в формирователь 24 для прекращения подачи импульсов.

При возрастании сигнала J_вх до 4,35 мА в соответствии с фиг. 2 преобразователь 25 и формирователь 24 формируют импульсы полярности "+" на включение преобразователя 30-2 и полярности "-" на выключение преобразователя 30-1. Площадь проходного сечения ДКД увеличивается до 4,26%. Дальнейшее увеличение J_вх приводит к открытию сечения ДКД в соответствии с приведенной на фиг. 2 дроссельной характеристикой.

При необходимости возможно ручное дистанционное электроуправление положением органов 16 путем кратковременной коммутации органами 22 электрического входа 15 привода 18 напрямую с источником питания 28. При отсутствии электропитания механический вход 17 обеспечивает прямое ручное изменение состояния органов 16 преобразователей 30.

Для проведения ремонтных работ клапан 32 переводится в состояние утилизации, для чего его вход и, следовательно, коллектор 21 подвода рабочей среды коммутируются с коллектором 12 утилизации. Клапан 11 переводится из положения утилизации рабочей среды и патрубок 9 в положение утилизации в трубопровод 14 и далее через обратный клапан 13 в атмосферу. Так как клапаны 10 открыты, то после указанной коммутации клапанов 11 и 32 на утилизацию происходит сброс рабочей среды из преобразователей 30 и из управляющих полостей 35 в атмосферу. После сброса рабочей среды из патрубков 1 и 9 и снятия упора 34 возможно проведение ремонтных работ по запорным органам - замене уплотнения 5, расходной шайбы 8 и других без демонтажа корпуса 2 с трубопровода. Если в процессе функционирования ДКД закрыть все клапаны 10, то произойдет отсечка давления в управляющих полостях 35 и ДКД будет работать с зафиксированным положением поршней 6 запорных органов. В этом случае после перевода клапанов 11 и 32 в положение утилизации рабочая среда из коллекторов 12, 21 и полостей преобразователей сбросится в атмосферу и возможен ремонт или регламентные работы по узлам преобразователей, электрическим коммуникациям и др.

Таким образом, использование в заявленном устройстве стяжек для соединения корпуса и перегородки, двухпозиционных запорных органов и преобразователей, импульсного блока управления, а также выбор функциональной зависимости между площадями расходных шайб, уменьшающей число преобразователей и повышающей отказоустойчивость, повышают надежность дискретного клапана-дросселя. Клапан утилизации и обратный клапан улучшают его экологические характеристики. Наличие в ДКД технологических клапанов позволяет проводить ремонтные работы без его демонтажа с трубопровода, а при отказах узлов блока управления и преобразователей и без прекращения производственного процесса.

Формула изобретения

1. Дискретный клапан-дроссель с импульсной системой управления, содержащий размещенную в корпусе и разделяющую входной и выходной патрубки перегородку, коллекторы подвода и утилизации рабочей среды, запорные органы, преобразователи и блок управления с первым входом внешнего сигнала управления, отличающийся тем, что запорные органы содержат управляющую полость и подпружиненный на перекрытие расходной шайбы двухпозиционный поршень, преобразователи выполнены в виде трехпроходного органа, вход рабочей среды которого связан с коллектором подвода, первый выход - с управляющей полостью запорного органа, второй - с коллектором утилизации рабочей среды, и содержат снабженный концевыми сигнализаторами двухпозиционный электромеханический привод, электрический вход которого связан с выходом блока управления, а электрический выход сигнализаторов - с вторыми его входами.

2. Клапан-дроссель по п. 1, отличающийся тем, что в нем установлены два двухпозиционных трехпроходных и обратный клапаны, при этом вход первого двухпозиционного трехпроходного клапана соединен со входом коллектора подвода, первый его выход с источником рабочей среды, а второй выход - с коллектором ее утилизации, вход второго двухпозиционного трехпроходного клапан соединен с коллектором утилизации, первый его выход - с выходным патрубком, а второй - со входом в обратный клапан, выход которого соединен с трубопроводом утилизации, установлены также по числу преобразователей двухпозиционные клапаны, вход которых соединен с первым выходом преобразователя, а выход - с управляющей полостью запорного органа.

3. Клапан-дроссель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи снабжены двухпозиционным ручным механическим входом, а блок управления - органами ручного электроуправления, электрический вход которых связан с источником электропитания, а выход - с выходами блока управления.

4. Клапан-дроссель по п. 1, отличающийся тем, что числу преобразователей ставятся в соответствие площади проходных сечений расходных шайб, значения которых от первой до предпоследней включительно отличаются друг от друга в два раза, а последней равно значению предпоследней, при этом последняя и предпоследняя площади каждая реализуются в двух запорных органах, объединенных одним преобразователем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2