Регулирование давления газа

Классификация РД. РД - устройства, 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). РД классифицируют по назначению, по характеру регулирующего воздействия, по связи между входной и выходной величинами, по способу воздействия на регулирующий клапан. Кроме того, РД различают по устройству, диапазонам входных и выходных давлений, способам настройки, регулировки.

Автоматический РД состоит из регулирующего и реагирующего уст­ройства. Основной частью реагирующего устройства является чувствитель­ный элемент (мембрана), а основной частью регулирующего устройства — регулирующий орган (у РД дроссельный орган). По характеру регулирующе­го воздействия регуляторы подразделяют на астатические (см. рис.) и про­порциональные (статические).

Чувствительный элемент и регулирующий орган соединяются между собой исполнительной связью. Давление до регулятора обозначено Р_ь давление по­сле регулятора — Р₂. Регулятор типа «после себя», поэтому давление Р₂ явля­ется регулируемым параметром. При установившейся работе РД количество газа в сети остается постоянным, а приток газа равен стоку М_Пр = М_ст (усло-

вие равновесия системы). При этом регули­руемый параметр Р₂ = const. Если равнове­сие притока и стока будет нарушено, то следовательно, М_Пр ф М_ст и Р₂ ф const. РД находится в равновесии, если алгебраиче­ская сумма сил, действующих на клапан, равна нулю: ENi = 0. В этом случае РД про­пускает в объект постоянное количество га­за Мпр = const. Если баланс сил нарушается (UN, Ф 0), то клапан начнет перемещаться в сторону действия больших сил, изменяя приток газа Мщ.. Таким образом, равнове­сие объекта обеспечивается условием Мпр = М_ст, а равновесие регулятора — услови­ем Ш; = 0.

Рассмотрим силы, действующие на клапан регулятора давления. Эти силы можно разделить на три группы: 1) активную, величина которой связана со значением регулируемого параметра; 2) противодействующую, которая уравновешивает активную силу; 3) дополнительные силы: масса подвижных частей, односторонняя нагрузка на клапан, силы трения, которые возникают при движении, а также инерционные силы.

Активная сила привода — это усилие, которое воспринимает мембрана от давления газа Р₂, сообщаемое по импульсной трубке 3, и передает на шток клапана. Эту силу называют перестановочной, она равна: N_n = P2 Fak_T , где Fakt - активная поверхность мембраны.

Активную силу уравновешивает груз 2 (Nrp)- На клапан также действу­ет масса подвижных частей Nnq и односторонняя нагрузка Njoi, которую, оп­ределяют по формуле: N_o - fc (Pi — Р2Х где f_c — площадь седла клапана. Таким образом, баланс сил, действующих на клапан, можно представить так: N_n - Nrp - Nnn + No ⁼ 0. (за + направление - нап. действия акт. силы). От величины регулируемого давления зависит перестановочная сила. Если величина Р₂ станет больше или меньше величины, на которую настроен РД, тогда баланс сил нарушится и регулятор придет в действие. Проследим про­цесс регулирования во времени, рассмотрев условия равновесия объекта и регулятора. В момент т₀ резко увеличилось потребление газа (включился крупный потребитель, величина М_ст > Мщ>). Равновесие объекта наруши­лось, отбор стал больше поступления газа в сеть, давление Р₂ в сети снизи­лось. С уменьшением Р₂ уменьшилась активная сила N_n, нарушился баланс сил, действующих на клапан, и под действием груза клапан стал опускаться, увеличивая приток газа в сеть (см. кривые изменения притока и Р₂ за чет­верть периода (ii - т₀) на рисунке). К моменту х\ приток стал равным стоку и объект снова пришел в равновесие. Но за время ii - х₀ сток газа был больше его притока и количество газа в сети все время уменьшалось, а Р₂ падало. Количество газа, отобранного из трубопровода за время Xi - х₀ равно площади I. В момент Xj давление Р₂ перестает падать, но остается ниже Ро, на которое настроен РД и при котором он находится в равновесии. Поэтому, несмотря на равновесие объекта, РД продолжает работать: его клапан открывается, при­ток газа растет и становится больше стока. В результате регулятор выводит объект из равновесия. За вторую четверть периода х₂ - Xi приток все время превосходит сток, количество газа в сети увеличивается и Р₂ растет. Наконец, в момент х₂ убыль газа за первую четверть периода полностью компенсиру­ется и Р₂ делается равным Р_о. РД приходит в равновесие, но в этот момент приток газа больше стока (Мпр > М_ст), объект не в равновесии, Р₂ становится больше давления Р_о и объект выводит РД из равновесия. Клапан РД изменяет направление движения на обратное, и он начинает закрываться.

С момента х₂ процесс регулирования повторяется, но в противополож­ном направлении. Т.о., процесс регулирования представляет собой периоди­ческий незатухающий процесс.

РД, работающие по рассмотренному принципу, называются астатическими. Эти РД после возмущения приводят регулируемое давление к заданному зна­чению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего орга­на. Т.е. равновесие системы при астатическом регулировании может насту­пить только при заданном значении регулируемого параметра, причем регу­лирующий орган может занимать любое положение. Если объект обладает свойством самовыравнивания, то процесс регулирования будет затухающим, а регулирование устойчивым.

Под самовыравниванием понимают такое свойство объекта, при кото­ром после нарушения равновесия объект способен сам восстановить равнове­сие между притоком и стоком, но при другом значении регулируемого пара­метра. В качестве объекта, обладающего самовыравниванием, можно привес­ти газовые сети низкого давления. Действительно, если увеличить отбор газа из этих сетей (включить новых потребителей), то давление газа уменьшится, вследствие чего сток сократится, а равновесие установится только при дру­гом, более низком давлении газа.

Зона нечувствительности, люфты, трение в сочленениях и другие кон­структивные недостатки регуляторов могут привести к тому, что колебатель­ный процесс регулирования станет расходящимся, а регулирование — неус­тойчивым.

Для стабилизации процесса (т.е. превращения его в затухающий) в РД вводят стабилизирующие устройства, в частности жесткую обратную связь. Такое регулирование называют статическим.

2 - мембранно-пружинный привод

Если груз у регулятора заменить пружиной, то ре­гулятор станет статическим, а пружина будет ста­билизирующим устройством. Усилие, развиваемое

пружиной, пропорционально ее деформации. Статические РД характе­ризуются тем, что значение регулируемого давления при равновесии системы зависит не только от настройки регулятора, но и от нагрузки или от положения регулирующего органа. Каждому значению регулируемого параметра соответствует одно определенное положение регулирующего органа. (График статич. регулирования посмотреть самим т.к. он проще).

Таким образом, статические регуляторы характеризуются неравно­мерностью, под которой понимают величину изменения регулируемого параметра, необходимую для перестановки регулирующего органа из одного крайнего положения в другое. Когда клапан находится в крайнем верхнем положении (закрыт, Мпр = 0), пружина приобретает наибольшую степень сжатия и значение Р₂ становится максимальным. При полностью открытом клапане (Мпр - М^МАКС) значение Р₂ уменьшается до минимального.

Обычно регуляторы конструируют с небольшой неравномерностью. В таком случае процесс регулирования будет не апериодическим, а колеба­тельным (затухающим). Затухающим процессом регулирования характери­зуются и изодромные регуляторы. Они имеют упругую обратную связь, ко­торая дает возможность совместить в регуляторе свойства статических и ас­татических регуляторов.

РД бывают прямого и непрямого действия, а также промежуточного типа. У регуляторов прямого действия (РПД) регулирующий орган (клапан) перемещается усилием, возникающим в его чувствительном элементе (мем­бране) без использования энергии постороннего источника. У таких РД сило­вой элемент привода является одновременно и чувствительным элементом. РПД не имеют усилителей. Они просты по конструкции, надежны в работе и нашли широкое применение в системах газоснабжения.

У РНД усилие, возникающее в чувствительном элементе, приводит в действие управляющий элемент, который открывает доступ энергии посто­роннего источника (сжатого воздуха, газа и др.) в сервомотор, а последний развивает усилие, необходимое для перемещения регулирующего органа. Ре­гуляторы этого типа всегда содержат один или несколько усилителей.

Регуляторы промежуточного типа имеют усилители, но для переста­новки регулирующего органа используют энергию регулируемой среды.

Если давление газа регулируется после РД, то регулятор называется «после себя»; если регулируется давление до РД, то регулятор называется

«до себя». Для регулирования давления газа в городских системах газоснаб­жения применяют регуляторы «после себя».

Схема РДУК-2 (РД с пилотом управления Казанцева)

Регуляторы РДУК-2, разработанные институтом Мосгазпроект, являются РНД и предназначены для снижения давления с высокого на низкое или среднее, со среднего на низкое.

РД состоит из следующих основных элементов: регулирующего клапана с мембранным приводом, представляющим собой исполнительный механизм, регулятора управления, дросселей и соединительных трубок. Регулятор работает следующим образом. Газ высокого или среднего давления из надклапанной камеры исполнительного механизма 1 попадает в регулятор управления 2. Пройдя клапан 5 регулятора управления, газ движется по трубке 12, проходит через дроссель 11 и поступает в газопровод после регулирующего клапана. Клапан 5 регулятора управления 2, дроссель 11 и трубки 9, 12 и 10 представляют собой усилительное устройство дроссельного типа. Газ поступает в усилитель с давлением Р₁ после дросселя переменного сечения (клапан 5) газ приобретает давление Р_х, а после дросселя постоянного сечения 11 — давление Р₂. Давлением Р_х регулируется работа исполнительного механизма и в зависимости от положения клапана 5 давление Р_х может изменяться от Р₂ (клапан 5 закрыт) до максимальной величины (клапан 5 полностью открыт), зависящей от отношения площади открытого клапана 5 к сечению дросселя 11. Таким образом, импульс конечного давления, воспринимаемый командным прибором, усиливается дроссельным устройством, трансформируется в командное давление рх и передается по трубке 13 в подмембранную зону исполнительного механизма, перемещая соответствующим образом регулирующий клапан. В результате этого перестановочная сила, развиваемая мембраной, изменяется и клапан 3 перемещается в соответствии с изменившимся расходом газа. Например, если расход газа уменьшился, давление газа за регулятором увеличилось, то клапан регулятора управления, соединенный с газопроводом импульсной трубкой 8, прикроется, давление Р_х в подмембранной зоне исполнительного механизма уменьшится, регулирующий клапан 3 опустится и давление после

регулятора снизится. Надмембранная зона исполнительного механизма соединена трубкой 14 с газопроводом после регулятора, поэтому в ней всегда поддерживается конечное давление.

Регуляторы РДУК рассчитаны на входное давление до 1,2 МПа. Давление газа на выходе из регулятора зависит от применяемого регулятора управления. Если используется регулятор управления КН-2, то конечное давление может изменяться от 0,0005 до 0,06 МПа. Если регулирующий клапан комплектуется с командным прибором КВ-2, то конечное давление может быть от 0,05 до 0,6 МПа. Пропускная способность регуляторов РДУК при плотности газа р = 0,73 кг/м³, перепаде давления на клапане АР = 0,1 МПа и конечном давлении Р₂ = 1 кПа в зависимости от диаметра колеблется от 900 до 12 500 м³/ч.