3.3. Регулирование давления газа.

Управление гидравлическим режимом системы газоснабже­ния осуществляется с помощью регуляторов давления, которые поддерживают определенное давление на входе в систему газо­снабжения независимо от изменения потребления газа в сети.

Таблица 3.1

Техническая характеристика ГРС, ГРП и ГРУ

Регулирование производится за счет изменения степени сниже­ния более высокого давления на входе в регулятор на конечное более низкое. Для выполнения задач регулирования необходимо измерить выходное давление, затем сравнить измеренную вели­чину с заданной, и, наконец, воздействовать на входную вели­чину таким образом, чтобы разность между измеренной вели­чиной и заданной была как можно меньше. Регулятор включает измеритель, преобразователь измеряемой величины, выполнен­ный и виде мембраны, усилитель (пневматический, электриче­ский) и исполнительное устройство (клапан, задвижка).

Основные параметры регуляторов давления газа, применяемых в системах газоснабжения

Условный проход (по входному патрубку), мм ... 6-500

Давление газа, МПа:

условное ………………………………………….0,1; 0,25; 0,4; 0,6; 1; 1,6

входное (начальное) ………………………....…..0,005-1,6

входное (конечное) ………………………………0,0005-1,2

В зависимости от пропускной способности, начального и ко­нечного давлений, места установки и назначения регуляторы различаются конструктивным исполнением, формой и разме­рами.

Регуляторы подразделяются по принципу действия - пря­мого или непрямого; по конструкции дроссельного клапана - с односедельными и двухседельными клапанами или заслонкой; по конструкции импульсных элементов - мембранные, сильфонные или поршневые; по конструкции управляющих элементов - грузовые, пружинные пневматические, гидравлические; по зна­чению регулируемого давления - с высокого на среднее, со сред­него на низкое и др.

Принцип работы простейшего регулятора состоит в следую­щем. При изменении выходного давления нарушается равнове­сие мембраны, которая в зависимости от изменения выходного давления «вверх» или «вниз» от номинального (давления на­стройки) будет перемещать шток регулирующего органа (кла­пана) и уменьшать сечение клапана, если р_к>р_ном, или увели­чивать сечение клапана, если р_к<р_ном. Данный регулятор является регулятором «после себя». Регуляторы могут различать­ся по работе исполнительного органа: непрерывный, релейный импульсный. При регулировании давления газа в основном используются непрерывные регуляторы. Различают законы ре­гулирования; пропорциональный, когда изменение выходной ве­личины прямо пропорционально разности между параметром настройки выходной величины и ее значением на выходе регу­лятора; дифференциальный, когда изменение выходной величины пропорционально (где ( - входная величина); ин­тегральный, когда изменение выходной величины пропорционально . Наибольшее распространение получили пропорциональный закон регулирования (статический регулятор), интегральный закон (астатический регулятор) и их разновидно­сти: пропорционально-интегральный (изодромный регулятор или ПИ-рсгулятор), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор).

При регулировании давления статическим регулятором каж­дое новое установившееся значение выходного давления зави­сит от возмущающего воздействия. Астатический регулятор дав­ления поддерживает одно и то же значение регулируемой вели­чины при любом значении внешнего воздействия на регулятор давления. Статические регуляторы характеризуются неравномер­ностью работы, т. е. имеют остаточную погрешность между но­минальной и регулируемой величинами. В изодромном регу­ляторе давления заданный режим поддерживается с малой остаточной неравномерностью или без нее, т. е. повышается ка­чество регулирования.

По способу воздействия на регулирующий клапан различают регуляторы прямого и непрямого действий. В регуляторах пря­мого действия регулирующий клапан перемещается усилием, возникающим в его чувствительном элементе (мембране) без использования энергии от постороннего источника. Такие регу­ляторы не имеют усилителей, надежны в работе, сравнительно просты по конструкции, однако менее чувствительные и менее быстродействующие. В газовом хозяйстве они получили боль­шое распространение. В регуляторе непрямого действия разница между настройкой и действительным значением регулирующего параметра преобразовывается в пневматический, электрический и другие сигналы, которые усиливаются и подаются на исполни­тельное устройство, перемещающее исполнительный (регулирую­щий) орган. Как усилитель, так и исполнительное устройство имеют питание от постороннего источника.

В качестве исполнительного устройства используются клапаны различных конструкций и реже дроссельные заслонки, применяющиеся лишь при небольших перепадах давления на регулирующем органе (рис. 3.4). Клапаны бывают одно- и двух-седельные (рис. 3.5).

Для тупиковых сетей широко используют односедельные кла­паны, так как они обеспечивают надежное отключение при от­сутствии отбора газа. Однако одностороннее усилие, действую­щее на клапан, затрудняет процесс регулирования и увеличи­вает влияние изменения давления до регулятора на выходное давление. Максимальный подъем затвора выбирают таким обра­зом, чтобы проход для газа был не меньше, чем проход в седле клапана. Односедельные клапаны выполняются жесткими и мяг­кими, при этом используют прокладку из кожи или газостойкой резины. Для более равномерного изменения сечения клапана применяют специальную форму клапана в виде продольных окон или круговых отверстий.

Двухседельные клапаны являются разгруженными. Их при­меняют с пробковыми и цилиндрическими затворами. В пробко­вом затворе дросселирующая поверхность представляет собой поверхность вращения. Отсутствие острых кромок благоприятно при течении плохо очищенного газа. Двухседельные клапаны выпускают частично разгруженными, так как для упрощения их монтажа одно из седел изготовляют меньшего диаметра. Кла­паны мало герметичны, что объясняется неравномерностью из­носа седел, сложностью притирки затвора одновременно к двум седлам, а также неравномерностью температурного расширения затвора и седла. Полностью закрытый двухседельный клапан допускает утечку до 4 % максимального расхода, поэтому его можно применять лишь на тех участках газопровода, где постоянно расходуется газ.

Рис. 3.4. Схема работы дросселирующего органа регулятора давления: а – односедельного; б –двухседельного; в – поворотной заслонки

Рис. 3.5. Дроссельные устройства регуляторов давления газа:

а - клапан жесткий односедельный; б - клапан мяг­кий односедельный, выполненный из кожи или газоустойчивой резины; в - клапан цилиндрический с окнами для прохода газа; г - клапан жесткий двух- седельный неразрезной с направляющими перьями; д - клапан мягкий двухседельный, свободно насаженный на шток.

Рис. 3.6. Пропускные характеристики регулирующих устройств

В настоящее время применяют шаровые регулирующие устройства. Затвор представляет собой шар со сквозным отвер­стием, перемещающимся относительно седел вокруг оси, перпендикулярной к оси прохода в седлах. Уплотнительный кон­такт бывает естественным и принудительным. Естественный контакт реализуется за счет упругих свойств седла и давления среды, прижимающей затвор-шар к седлу. В случае принуди­тельного контакта используются упругие элементы.

Шаровые регулирующие устройства, полнопроходные или с суженным проходом, имеют большие диапазоны регулирования. Все регулирующие устройства аттестуют по расходной характе­ристике. Номинальный расход газа при максимальном переме­щении затвора (при максимальной площади прохода) называет­ся условной пропускной способностью. Ее значения внесены в технический паспорт регулятора. Зависимость изменения про­пускной способности М, отнесенной к условной пропускной способности клапана М_у, от перемещения затвора s называют про­пускной характеристикой регулирующего устройства (рис. 3.6).

Пропускные характеристики могут быть линейными 4 или нели­нейными. Среди нелинейных выделяют равнопроцентную харак­теристику 1, когда приращение пропускной способности по ходу пропорционально ее текущему значению. Зависимости заслоноч­ных 3 и шаровых 2 регулирующих органов — нелинейные. Свое­образную характеристику 5 имеют шланговые и диафрагменные регулирующие устройства. Перестановку клапана осуществляют с помощью привода. При передвижении штока, соединенного с приводом, происходит изменение проходного сечения. В регу­ляторах давления газа широко применяют пневматические мем­бранные приводы. Для настройки привода используют пружины или груз. Чаще всего применяют регулирующие клапаны с ли­нейной (сплошные профилированные плунжеры) и параболиче­ской (цилиндрические пустотелые плунжеры, с продольными ок­нами) характеристиками. В реальных условиях, т. е. при сов­местной работе клапана и объекта, пропускная характеристика клапана не может оставаться неизменной, и ее форма видоиз­меняется за счет влияния гидравлического сопротивления объ­екта и фактического изменения перепада давления на регули­рующем органе. Эта рабочая пропускная характеристика назы­вается расходной.

Для выбора формы пропускной характеристики клапана ре­гулирующего применительно к конкретному объекту следует в первую очередь изучить режим работы этого объекта и выбрать для него оптимальную расходную характеристику . В общем случае зависимость , выраженная через пропускную характери­стику , и потери давления в регулирующем органе и объекте приобретает вид

,

где - отношение потерь давления в трубопровод­ной системе (объекта) к потерям давления в регулирующем ор­гане; . Если потеря давления в трубопроводах объек­та , то r также равно нулю, а , т. е. расходная и пропускная характеристики идентичны. Это же следует из опре­деления пропускной характеристики, которая строится для регулирующего органа при продувке его на стенде при отсутствии, после него трубопроводов ( ).

С увеличением расходная характеристика сначала немного, а затем все больше отклоняется от пропускной характеристики. Наименее чувствительны к изменению выходного давления регуляторы прямого действия без усилителей. У них пе­ремещение регулирующего органа начинается только тогда, когда изменение контролируемого давления оказывается способным создать усилие, достаточное для преодоления сил трения в по­движных соединениях регулятора. Поэтому эти регуляторы под­держивают давление в контролируемой точке в заданных преде­лах импульсами.

Более активно реагируют на изменение выходного давления регуляторы с усилителем (регулятором управления — пило­том), использующие для перемещения регулирующего органа дросселированное в усилителе до необходимого значения вход­ное давление газа. По чувствительности эти регуляторы являются промежуточными между регуляторами непрямого действия и прямого действия без усилителей. Наиболее чувствительны регу­ляторы непрямого действия, позволяющие свести колебания выходного давления к минимуму. Однако и при их использовании после возмущения объекта, особенно в первый момент, происходит чередующееся частичное переполнение и опорожнение га­зопровода и, следовательно, отклонение выходного давления от заданного. Прежде чем приступить к выбору регулятора по пропускной способности, следует установить, с какой точностью необходимо поддерживать давление газа в контролируемой точке (задаваться допустимой статической ошибкой или степенью неравномерности регулирования), и выбрать соответствующий тип регулятора.