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高压差高精度笼式调压器的开发及应用(一)

来源: 上海阀门 时间: 2012-05-06 点击: 2,870

1.概述

燃气输配系统的压力调节有三种型式的产品,自力式调节阀、轴流式调压器和曲流式调压器,都是以橡胶薄膜作为传动装置。在工作时,自力式、轴流式调压器利用上、下膜室压差克服弹簧密封比压力实现压力平衡调节;曲流式调压器利用上、下膜室压差克服弹簧复位作用实现压力平衡调节。橡胶薄膜不仅要克服弹簧力实现压力平衡调节的强度要求,满足膜垫通道口的节流截止密封,还要满足密封截止后介质通道孔的剪切力作用。这样,调压器的压力调节范围和调节精度就受到很大局限,使用寿命也受到很大影响,特别是调节工作压力范围在10.OMPa压力级时,橡胶薄膜强度很难满足使用要求。随着生产装置的大型化和高参数化,对调压器使用的安全性、功能的可靠性以及使用寿命等方面提出了更高更严格的要求。

本研究项目以气动学、自动控制为理论基础,在燃气输配系统工艺设计、调节原理/技术、压力余差补偿、节流降压、流量压力特性等方面的研究,应用了大量的新理论、新方法、新技术,提出了“膜片恒压差动态平衡调节原理”、“稳压阀控制压力余差方法”和“高压差阻尼节流降压结构”等一系列属国内外首创的方法、技术。通过建立实验室计算机流量和压力特性动态平衡调节模型,用数理统计选出适合工况条件的关闭压力、稳压精度等综合性能参数,形成核心技术。突破了PN≥IO.OMPa高压力级的技术壁垒,解决了国内外传统调压器长期存在橡胶膜片使用寿命短、调节压差低的难题,油气工程专家评价达到国际先进水平。在全国各天然气集输工程得到广泛推广应用,项目的安全可靠性和高效节能已被市场所认可,已经在四川气田、吉林油田、长庆油田、新疆气田等得到了推广应用,提高了我国重大技术装备的国产化技术水平。

文中符号注释:

P1——主阀进口压力(MPa)

P2——主阀出口压力(MPa)

P3——主阀膜片上腔控制气室压力(MPa)

△P——橡胶膜片上下气室压差(MPa),△P=P1-P3

F——主阀控制气室向下作用力(N)

F——膜片下腔密封气室向上作用力(N)

F——复位弹簧力(N)

S——橡胶膜片有效面积(***)

S——阀杆面积(***)

S1——阀芯小头面积(***)

2.设计思路

该调压器由主阀、指挥阀、稳压阀、失压安全保护阀组成。主阀的阀套上方设置膜垫,以橡胶薄膜片作为传动 机构,阀杆、阀芯、阀座作为执行机构,主阀阀芯设计为圆柱台阶柱塞形阀芯,其上、下端面由平衡孔连通,底端面嵌非金属环形密封垫,与阀座锥面凸台端面组成密封副。指挥阀根据主阀进出口压力的变化,由信号管反馈到指挥阀膜室,改变阀门开启度,实现阀前阀后压力调节指挥和压力超高切断控制。稳压阀由上、下盖之间的阀盒,及阀盒内装置的阀杆、弹簧、橡胶膜片组成,其作用是利用介质压力和弹簧力,让主阀进出口压力的变化总是使主阀膜室的控制压力向趋于设定的压力稳定方向变化,增大调节范围,降低调节压力余差值,提高调节精度。失压保护阀的作用是当介质压力过低不能满足用户正常使用时,失压保护阀自动切断关闭信号压力源,主阀也随之切断密封。

3.工作原理

该调压器为间接作用式,主阀与指挥阀、稳压阀、过载失压保护阀采用信号管接通,由指挥阀感测出口或进口被控压力信号并控制主阀的开启度变化;稳压阀消除进出口压力变化对调压的影响,使主阀膜室的控制压力向设定的压力趋于稳定。

(1)在平衡状态时,主阀橡胶膜片上、下气室平衡,即主阀弹簧力和进口压力P1S与控制气室压力P3S平衡。

(2)当出口处的负荷减少或入口压力P1增加时,燃气出口压力P2升高,反馈作用在指挥器橡胶膜片上的压力升高,破坏了和指挥器弹簧的平衡,使橡胶膜片带动阀杆向上移动,阀口开度减小。稳压阀阀口开度增大,主阀上膜室压力升高,压迫主阀阀芯下移,使阀口开度减小,流量减少,出口压力P2降低,恢复到给定值。

(3)当出口处的负荷增加或入口压力P1降低时,燃气出口压力P2降低,反馈作用在指挥器橡胶膜片上的压力也降低,同样破坏了和指挥器弹簧的平衡,使橡胶膜片带动阀杆向下移动,阀口开度增大。稳压阀阀口开度减小,主阀上膜室压力降低,主阀阀芯在下膜室压力作用下上移,使阀口开度增大,流量增加,出口压力P2升高,恢复到给定值。

(4)当负荷增加或主阀膜片损坏,即出口压力高于或低于调压器正常工作压力范围时,介质压力与弹簧力平衡关系被破坏,在弹簧力作用下,过载失压保护阀切断指挥阀出口介质压力信号源,主阀切断关闭。

不论用气量及入口压力如何变化,本调压器可以通过指挥器和稳压阀、过载失压保护阀的配合调节作用,自动地保持稳定的出口压力,并实现过载失压自动安全保护。因此该调压器和与其连接的管网是一个自调系统。

4.产品结构

(1)主阀的阀套内腔与阀芯配套为圆柱台阶形,阀套上端面与膜垫配合处设O形圈,阀座内腔通道尺寸与阀套圆柱台阶小头尺寸一致,主阀调节压力工作时的面积压差处于平衡状态。

(2)主阀的膜垫设计为蝶形圆盘,中部开孔,蝶形膜垫内腔开有环形贮气槽,膜垫上不设介质通道孔。调节时,介质压力通过阀芯平衡孔和阀套上端中孔,使橡胶膜片下端和阀芯上端与介质进口压力构成密封气室。

(3)高压差工况根据流通能力的需要,采用多级节流降压结构。在阀芯底部增设台阶节流轴,调压时台阶节流轴随阀芯同步移动工作,形成第三级节流。改变了传统调压器不能满足高压差调节的功能,一只调压阀可替代三只调压阀节流降压。大大改善了硬软双质密封副的工作条件,减缓高压介质对密封副的冲刷,保证高压差工作调节时的使用寿命和密封可靠,从而使调压工作时振动小、噪声低。

(4)稳压阀由上阀盒的上部内腔、上盖、橡胶膜片、弹簧构成两个气室,由下盖、下阀盒、橡胶膜片、弹簧、上阀盒的下部内腔在阀杆盲孔和侧孔的连通作用下组成两个平衡气室,阀杆和上、下阀盒的橡胶膜片和弹簧相互作用连成一体。

(5)指挥阀由上阀盒、中阀盒和阀体组成双膜片结构,压力信号源通过下膜片传递给上、下膜片问工作环室后由上膜片与弹簧力产生平衡。双膜片结构传递信号压力过渡平稳,利于改变弹簧力实现工作压力调节。

(6)失压安全保护阀由上阀盒、中阀盒和阀体组成双膜片结构,介质压力信号源关闭方向与指挥阀刚好相反。负荷增加或主阀膜片损坏使工作介质压力太低时,膜片有效面积所受的介质作用力小于弹簧力时,阀杆向下移动,阀口关闭,实现失压自动安全切断保护功能。

本调压器以橡胶薄膜为传动机构,进一步满足了高压力、大通径调压器的调节精度和调节范围,延长了调压器的使用寿命,改善了橡胶薄膜的工作受力条件和上、下膜室压差平衡关系,突破了传统调压器的结构和设计原理,进而实现了调节、安全截断、过载或失压保护功能。

未完,待续…

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