Регулятор давления

 

Изобретение относится к энергетике и может быть применено на тепловых и атомных электростанциях для поддержания постоянного номинального давления в деаэраторах. Цель изобретения: повышение надежности и качества регулирования. Регулятор давления содержит следующие конструктивные узлы, связанные между собой гидравлически: регулирующий орган 1, клапан которого выполняет также функцию поршня сервопривода, соединен с трубопроводом 2 рабочего пара, командное устройство 3, с помощью которого управляется регулирующий орган, устройство 4 гидравлической упругой обратной связи (изодром), сдерживающее нарастание (например) давления в коллекторе 6 промежуточного (командного) давления, чувствительный элемент 5 с преобразованием импульса (с получением опережающего импульса) по изменению давления, второй регулируемый дроссель 7, установленный перед коллектором 6 (по ходу пара) на ответвлении 8 трубопровода 2, устройство 9 (гидрозатвор), предохраняющее все мембраны от неупругих деформаций, размещенное в баке деаэратора, соединенное с коллектором 6, трубку 10 командного давления, третий регулируемый дроссель 11, установленный на ответвлении 8 перед трубкой 10, первый регулируемый дроссель 12, установленный на обводе изодрома, коллектор 13 регулируемого давления, соединенный с баком деаэратора. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть применено на тепловых и атомных электростанциях для поддержания постоянного номинального давления в деаэраторах.

Известен регулятор давления, содержащий регулирующий орган, его сервопривод, усилитель импульса по изменению давления, чувствительный элемент [1] Недостатком регулятора является низкая устойчивость регулирования.

Известен регулятор давления, содержащий регулирующий орган, снабженный сервоприводом мембраны, размещенной в корпусе, разделенном мембраной на полость командного давления и полость регулируемого давления, вспомогательный регулятор, в котором командное давление образуется при перемещении мембраны, делящей корпус на две полости верхнюю, соединенную с атмосферной и нижнюю, в которой размещена система рычагов, соединенных с клапаном, перекрывающим сопло, дроссель, обеспечивающий минимальный расход газа через вспомогательный регулятор, выравниватель давления (предохранительное устройство) [2] Недостатками этого регулятора являются низкая устойчивость регулятора, большая степень неравномерности; мембрана вспомогательно регулятора является жесткой, так как находится под полным перепадом давлений в газопроводе и атмосфере, жесткость упругого элемента увеличивается также из-за введения настроечной пружины.

Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, по технической сущности и достигаемому результату, является регулятор давления, содержащий регулирующий орган, соединенный с сервоприводом, устройство для образования командного давления, соединенное с чувствительным элементом и с изодромом, состоящим из корпуса, разделенного поршнем на две полости, соединенные с помощью трубки с установленным на ней вентилем (дросселем), поршень соединен с упругим элементом (пружиной) [3] Недостатком является большое время запаздывания изменения регулируемой величины при нарушении установившегося режима работы, особенно при регулировании объектов, обладающих большой скоростью разгона.

Цель изобретения повышение надежности и качества регулирования.

Указанная цель решается следующим образом.

В регуляторе давления, содержащем чувствительный элемент в виде первой мембраны, установленной в корпусе чувствительного элемента, надмембранная полость которого сообщена с трубопроводом подвода рабочего пара перед регулирующим органом, связанным с поршнем сервопривода, и демпфер изодрома, полости которого соединены обводом через первый регулируемый дроссель, содержатся коллекторы промежуточного и регулируемого давления, первый и второй игольчатые золотники, размещенные соответственно в первой и второй втулках, каждая из которых снабжена камерой отвода пара из уплотнений в деаэратор и камерами подвода и отвода рабочего пара, соединенными между собой через седло соответствующего игольчатого золотника, причем первая мембрана шарнирно соединена со стороны надмембранной полости со штоком, верхний конец которого выведен через уплотнение наружу корпуса чувствительного элемента и нагружен грузом с прижатой к грузу пружиной задания, надмембранная полость корпуса чувствительного элемента соединена с коллектором промежуточного давления и через трубчатое седло прикрепленного снизу к первой мембране клапана с подмембранной полостью корпуса чувствительного элемента, которая соединена с коллектором регулируемого давления, регулирующий орган и поршень сервопривода конструктивно совмещены и выполнены в виде поршня клапана, установленного в корпусе и образующего с ним полости командного и регулируемого давления, причем последняя соединена через патрубок отвода рабочего пара с коллектором регулируемого давления и через трубчатое седло поршня клапана с трубопроводом подвода рабочего пара, который соединен через второй и третий регулируемые дроссели соответственно с коллектором промежуточного давления и полостью командного давления, которая соединена с камерой подвода рабочего пара второй втулки, камера отвода рабочего пара которой соединена с коллектором регулируемого давления, демпфер изодрома и командное устройство содержат соответственно вторую и третью мембраны, шарнирно соединенные со стороны надмембранных полостей соответственно с первым и вторым игольчатыми золотниками, при этом надмембранная полость командного устройства соединена с подмебранной полостью демпфера изодрома, надмембранная полость которого соединена с коллектором промежуточного давления, который связан с устройством защиты первой, второй и третьей мембран от неупругих деформаций и соединен с камерой подвода рабочего пара первой втулки, камера отвода рабочего пара которой соединена с подмембранной полостью командного устройства и коллектором регулируемого давления, также устройство защиты первой, второй и третьей мембран от неупругих деформаций выполнено в виде гидрозатвора, размещенного в баке деаэратора и соединенного с коллектором промежуточного давления, а также поршень-клапан снабжен осевым отверстием, а к его верхнему торцу соосно прикреплена втулка, верхняя часть которой размещена в прикрепленном к корпусу стакане, причем зазор между стаканом и втулкой уплотнен с помощью поршневых колец, а между корпусом и поршнем клапаном установлена сжатая пружина, а также зазор между штоком и корпусом чувствительного элемента уплотнен с помощью дроссельных шайб или поршневых колец.

Сущность изобретения состоит в том, что повышение надежности достигается выполнением изодрома в виде мембраны, выполняющей функцию и поршня и упругого элемента, применением гидравлической обратной связи вместо системы рычагов, выполнением регулирующего органа виде поршня, являющегося и поршнем сервопривода и клапаном, выполнением командного устройства в виде мембраны с золотником вместо струйного усилителя (с насосной установкой), отсутствием механической связи между функциональными узлами, применением гидрозатвора для защиты всех мембран от неупругих деформаций. Все это элементы надежности.

Повышение качества регулирования достигается за счет применения опережающего импульса с помощью первой мембраны, соединенной со штоком со стороны надмембранной полости, нагруженным сверху грузом, что выполнено для разгрузки пружины задания. При этом с участием первой мембраны изменяется давление и в промежуточном коллекторе и в надмембранной полости чувствительного элемента. Применение промежуточного давления позволяет изготовить все мембраны тонкостенными, податливыми (с большим ходом центральной части). Гидравлическая разгрузка клапана с помощью отверстия в поршне и втулки, размещенной в стакане, позволяет снизить уровень командного давления и обеспечить плавную работу регулятора. Отсутствие зазоров в шарнирах (за счет установки объемных шайб) устраняет зону нечувствительности.

На фиг. 1 показана принципиальная схема регулятора давления, состоящего из нескольких конструктивных узлов, связанных между собой гидравлически; на фиг.2 регулирующий орган, продольный разрез; на фиг.3 командное устройство и изодром, продольный разрез; на фиг.4 чувствительный элемент с преобразованием импульса по изменению давления (продольный разрез) и гидрозатвор.

Возможность осуществления устройства подтверждается описанием в статическом состоянии и в работе.

Регулятор давления содержит следующие конструктивные узлы, связанные между собой гидравлически: регулирующий орган 1, соединенный с трубопроводом 2 рабочего пара, командное устройство 3, устройство 4 гидравлической упругой обратной связи (изодром), чувствительный элемент 5 с преобразованием импульса по изменению давления, коллектор 6 промежуточного (командного) давления, второй регулируемый дроссель 7, установленный перед коллектором 6 (по ходу рабочего пара) на ответвлении 8 трубопровода 2, устройство 9 (гидрозатвор), предохраняющее все мембраны от неупругих деформаций, размещенное в баке деаэратора, соединенное с коллектором 6, трубку 10 командного давления, третий регулируемый дроссель 11, установленный на ответвлении 8, перед регулирующим устройством 2, первый регулируемый дроссель 12, с помощью которого соединены полости изодрома 4, коллектор 13 регулируемого давления, соединенный с баком деаэратора.

Регулирующий орган 1 содержит корпус 14, разделенный поршнем клапаном 15 на две полости: полость 16 командного давления и полость 17 регулируемого давления, причем последняя соединена через патрубок 18 отвода пара с коллектором 13. Для гидравлической разгрузки в поршне клапане 15 предусмотрено отверстие 19. На его верхний торец установлена втулка 20, прикрепленная к поршню и размещенная во втулке 21, прикрепленной к крышке 22 корпуса 14. Зазор между втулкой и стаканом уплотнен поршневыми кольцами. Между крышкой 22 и поршнем-клапаном 15 установлена сжатая пружина 23. Полость 17 через трубчатое седло 24 поршня клапана соединена с трубопроводом 2 рабочего пара.

Командное устройство 3 и изодром 4 конструктивно выполнены одинаково. Различие состоит в подсоединении импульсных трубок.

Командное устройство 3 содержит корпус 25, разделенный третьей мембраной 26 на две полости: подмембранную 27 и надмембранную 28. В центральной части мембраны размещен шарнир 29, с помощью которого второй игольчатый золотник 30 присоединен к мембране. При этом золотник 30 размещен во второй втулке 31, имеющей камеры: отвода 32 пара из уплотнений в деаэратор, подвода 33 рабочего пара (эта камера соединена с полостью 16 командного давления регулирующего органа). Камера 33 с помощью седла 34 золотника соединена с камерой 35 отвода рабочего пара, соединенной с коллектором 13 регулируемого давления. При этом полость 27 соединена с коллектором 13, а полость 28 с коллектором 6 через первый регулируемый дроссель 12.

Изодром 4 содержит надмембранную 36 и подмембранную 37 полости, разделенные второй мембраной, первый игольчатый золотник, размещенный в первой втулке, имеющей камеры: подвода 38 рабочего пара из коллектора 6, отвода 39 рабочего пара в коллектор 13, отвода 40 пара из уплотнений.

Полости 36 и 37 соединены между собой через первый регулируемый дроссель 12, полость 36 соединена с коллектором 6, полость 37 с полостью 28.

Чувствительный элемент 5 с преобразованием импульса по изменению давления содержит корпус 41, разделенный первой мембраной 42 на две полости: надмембранную 43 и подмембранную 44. К мембране, сверху, с помощью шарнира 45 прикреплен шток 46, верхний конец которого выведен через уплотнение наружу корпуса и нагружен грузом 47 с прижатой к грузу с помощью винта 48 пружиной 49 задания. Винт проходит через рамку 50, прикрепленную к корпусу 41. Шток 46 в месте прохода через корпус уплотнен с помощью дроссельных шайб или поршневых колец. Снизу к первой мембране прикреплен клапан 51, через трубчатое седло 52 которого коллектор 6 соединен с подмембранной полостью 44. Надмембранная полость 43 с помощью трубки 53 соединена с коллектором 6.

Гидрозатвор 9 содержит отпускной участок 54, выполненный в виде открытого снизу трубчатого элемента, подъемный участок 55, выполненный в виде трубчатого элемента, открытого сверху и заглушенного снизу. Элемент 54 размещен внутри элемента 55. Оба элемента прикреплены к корпусу деаэратора, в котором размещен гидрозатвор, соединенный с коллектором 6. Гидрозатвор заполнен водой.

Работает регулятор давления "после себя" следующим образом.

Рассмотрим сначала работу отдельных узлов. При этом примем, что действие происходит при поступлении импульса на чувствительный элемент в сторону "меньше" номинального давления.

В регулирующем органе 1, находящемся в равновесии, силы, действующие вверх и вниз равны, т.е. Р_р (F_гр F_вт) + Р_у (F_п F_тр) Р_к (F_п F_вт) + G_пр, где Р_р давление рабочего пара в трубчатом седле 24, F_тр площадь поперечного сечения трубчатого седла, F_вт площадь поперечного сечения втулки 20, Р_д давление пара в полости 17 (в деаэраторе), F_п площадь поршня 15, Р_к командное давление в полости 16, G_пр усилие от сжатой пружины 23.

Равновесие нарушается при уменьшении командного давления. При этом живое сечение для рабочего пара увеличивается, так как поршень клапан 15 поднимается, сжимая пружину 23 и приходя к новому равновесию.

В командном устройстве 3 давление пара в полости 27 (в деаэраторе) уменьшается, давление в полости 28 увеличивается, а центр мембраны 26 вместе с золотником 30 сдвигается влево и приоткрывает иглой золотника седло 34. При этом командное давление в камере 33 падает. Отметим, что пар при этом в полость 28 поступает через дроссель 12 и из полости 37 изодрома.

В изодроме 4 в первый момент появления импульса происходит повышение давления в полости 36 и увеличение перепада давления на дросселе 12 и мембране изодрома (эти перепады давления в каждый момент времени равны, поскольку мембрана и дроссель включены параллельно). Расход пара за дросселем 12 равен сумме расходов через дроссель 12 и из полости 37. При этом золотник изодрома идет вправо и живое сечение в седле между камерами 38 и 39 увеличивается, но нарастание увеличения перепада давления замедляется вследствие упругости мембраны изодрома. К концу нарастания импульса перепад давления на дросселе 12 равен нулю, а мембрана изодрома возвращается в "нулевое" состояние. Также и живое сечение в седле между камерами 38 и 39 приходит в исходное состояние (с каким-то протоком).

В чувствительном элементе 5 с преобразованием импульса импульс поступает в полость 44, проходит через трубки 52 и 53 и затем в полость 43. При этом сила от груза 47 и сжатой пружины 49 становится больше выталкивающей силы действующей на поршень 46, и клапан 51 вместе с мембраной 42 опускается. Живое сечение клапана 51 уменьшается, а давление в трубках 52 и 53, полости 43, коллекторе 6 увеличивается, а мембрана 42 вместе с клапаном 51 опускается. Идет процесс лавинообразного нарастания давления в полости 43. При этом получается опережающий импульс, многократно увеличенный, необходимый для регулирования объектов обладающих большим временем запаздывания изменения регулируемой величины при нарушении установившегося режима работы. Такие регуляторы называют регуляторами с опережением. Цель применения регулятора с опережением оказывать усиленное воздействие на регулирующий орган еще до достижения заметного отклонения регулируемой величины.

Об ограничении величины опережающего импульса см. далее.

С помощью гидрозатвора 9 все мембраны защищены от неупругих деформаций. При этом толщина мембраны может быть выбрана сколь угодно тонкой, а следовательно, и чувствительной, с большим ходом центральной части.

Рассмотрим работу регулятора в целом. В коллектор 6 через дроссель 7 поступает некоторое количество пара. Из коллектора 6 пар перетекает в коллектор 13 регулируемого давления через два отверстия, живое сечение которых в установившемся режиме определяется положением клапана 51 относительно трубчатого седла 52 и положением золотника 30 изодрома относительно седла 34 изодрома. Эти положения изменятся в первом случае положением винта 48 и сжатием пружины 49, во втором случае перемещением седла 34 изодрома.

Отметим здесь, что для первого экспериментального образца трубчатое седло 52, седла 34 изодрома и командного устройства должны быть выполнены подвижными, т. е. иметь возможность изменять свое положение относительно клапана 51 и золотников 30 издрома и командного устройства.

Давление пара в коллекторе 6 в установившемся режиме работы регулятора с помощью винта 48 определятся равным Р_д + Δ Р, где Δ Р величина, равная например 0,5-1 м в. ст. При этом с помощью пружины 49 и винта 48 задается номинальное давление в деаэраторе.

При поступлении импульса в полость 44 чувствительного элемента, он проникает через трубчатое седло 52, коллектор 6, трубку 53, в полость 43. Под воздействием пружины 49 клапан 51 опускается, прикрывая собой трубчатое седло 52, а давление в коллекторе 6 и в полости 43 возрастает, клапан 51 снова опускается и давление в коллекторе растет лавинообразно. Однако величина роста давления ограничивается живым сечением седла 34 изодрома, через которое пар сбрасывается в коллектор 13. Под влиянием упругой силы мембраны 42, центр которой опускается вниз, и сброса пара через седло 34 изодрома опускание клапана 51 прекращается и на клапане 51 образуется перепад давления, величина которого может быть подобрана живыми сечениями клапана 51 и седла 34 изодрома. Изменение перепада давления дает макроимпульс, который используется в работе изодрома и командного устройства. При этом в первый момент нарастания макроимпульса пар поступает в полость 36 изодрома, его мембрана перемещается вправо и перестанавливает золотник 30 изодрома, увеличивая перепуск пара из камеры 38 в камеру 39 и тормозя нарастание макроимпульса. Таким образом работает упругая обратная связь. В первый же момент нарастания импульса давление пара в полости 28 командного устройства увеличивается, т. к. пар поступает как через дроссель 12, так и из полости 37 изодрома. К концу действия макроимпульса перепада давления на дросселе 12 нет (мембрана 26 под действием ее упругой силы останавливает свой ход и расход пара в полость 28 прекращается), а мембрана 26 изодрома возвращается в исходное, среднее положение, увеличивая макроимпульс. В конце действия макроимпульса мембрана 26 командного устройства перемещает золотник 30 влево, открывая седло 34, снижая давление в полости 16 регулирующего органа. При этом происходит приоткрытие клапана поршня.

К элементам, которыми можно настраивать экспериментальный образец, относятся дроссели 7, 11 и 12, винт 48, регулируемые дроссели, образованные подвижным трубчатым элементом 52 и игольчатым клапаном 51, а также отверстиями 34 и золотниками 30. Для серийного регулятора настроечными элементами могут остаться винт 48, дроссель 12 и дроссели 7 и 11.

Формула изобретения

1. РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ, содержащий чувствительный элемент в виде первой мембраны, установленной в корпусе чувствительного элемента, надмембранная полость которого сообщена с трубопроводом подвода рабочего пара перед регулирующим органом, связанным с поршнем сервопривода, и демпфер изодрома, полости которого соединены обводом через первый регулируемый дроссель, отличающийся тем, что он содержит коллекторы промежуточного и регулируемого давления, первый и второй игольчатые золотники, размещенные соответственно в первой и второй втулках, каждая из которых снабжена камерой отвода пара из уплотнений в деаэратор и камерами подвода и отвода рабочего пара, соединенными между собой через седло соответствующего игольчатого золотника, причем первая мембрана шарнирно соединена со стороны надмембранной полости со штоком, верхний конец которого выведен через уплотнение наружу корпуса чувствительного элемента и нагружен грузом с прижатой к грузу пружиной задания, надмембранная полость корпуса чувствительного элемента соединена с коллектором промежуточного давления и через трубчатое седло прикрепленного снизу к первой мембране клапана с подмембранной полостью корпуса чувствительного элемента, которая соединена с коллектором регулируемого давления, регулирующий орган и поршень сервопривода конструктивно совмещены и выполнены в виде поршня-клапана, установленного в корпусе и образующего с ним полости командного и регулируемого давления, причем последняя соединена через патрубок отвода рабочего пара с коллектором регулируемого давления и через трубчатое седло поршня-клапана с трубопроводом подвода рабочего пара, который соединен через второй и третий регулируемые дроссели соответственно с коллектором промежуточного давления и полостью командного давления, которая соединена с камерой подвода рабочего пара второй втулки, камера отвода рабочего пара которой соединена с коллектором регулируемого давления, демпфер изодрома и командное устройство содержат соответственно вторую и третью мембраны, шарнирно соединенные со стороны надмембранных полостей соответственно с первым и вторым игольчатыми золотниками, при этом надмембранная полость командного устройства соединена с подмембранной полостью демпфера изодрома, надмембранная полость которого соединена с коллектором промежуточного давления, который связан с устройством защиты первой, второй и третьей мембран от неупругих деформаций и соединен с камерой подвода рабочего пара первой втулки, камера отвода рабочего пара которой соединена с подмембранной полостью командного устройства и коллектором регулирования давления.

2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что устройство защиты первой, второй и третьей мембран от неупругих деформаций выполнено в виде гидрозатвора, размещенного в баке деаэратора и соединенного с коллектором промежуточного давления.

3. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что поршень-клапан снабжен осевым отверстием, а к его верхнему торцу соосно прикреплена втулка, верхняя часть которой размещена в прикрепленном к корпусу стакане, причем зазор между стаканом и втулкой уплотнен с помощью поршневых колец, а между корпусом и поршнем-клапаном установлена сжатая пружина.

4. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что зазор между штоком и корпусом чувствительного элемента уплотнен с помощью дроссельных шайб или поршневых колец.

РИСУНКИ

Рисунок 1