76 Регуляторы давления газа. Классификация регуляторов давления

Управление гидравлическим режимом работы системы газоснабжения осуществляют с помощью регуляторов давления, которые автоматически поддерживают постоянное давление в точке отбора импульса независимо от интенсивности потребления газа. При регулировании давления происходит снижение начального, более высокого, на конечное (более низкое),

Рис. 3.1. Схема регулятора давления

1 - регулирующий (дроссельный) орган; 2 - мембранно-грузовой привод;

3 - импульсная трубка; 4 - объект регулирования – газовая сеть

Автоматический регулятор давления состоит из регулирующего и реагирующего устройства. Основной частью реагирующего устройства является чувствительный элемент (мембрана), а основной частью регулирующего устройства – регулирующий орган (у регуляторов давления дроссельный орган). Чувствительный элемент и регулирующий орган соединяются между собой исполнительной связью.

Регулятор давления будет находиться в равновесии, если алгебраическая сумма сил, действующих на клапан, равна нулю (т.е. силы, действующие на клапан, сбалансированы N_i=0). В этом случае регулятор будет пропускать в объект постоянное количество газа M_п=const. Если баланс сил нарушается, т.е. N_i0, то клапан перемещается в сторону действия больших сил, изменяя приток газа М_п.Таким образом, равновесие объекта обеспечивают условием М_п=М_с, а равновесие регулятора - условием N_i=0.Рассмотрев условия равновесия объекта и регулятора, проследим процесс регулирования во времени.

Предположим, что объект и регулятор находятся в равновесии. В момент ₀ (рис.3.2) резко увеличилось потребление газа (включился крупный потребитель, М_с стало больше М_п). Равновесие объекта нарушилось, отбор газа стал больше его поступления в сеть, давление p₂ и в сети понизилось. С уменьшением давления p₂ нарушился баланс сил, действующих на клапан и под действием груза клапан стал опускаться, увеличивая приток газа в сеть (см. кривые изменения притока и давления газа р₂ за четверть периода ₁-₀ на рис. 3.2).

Рис.3.2. График астатического регулирования при отсутствии самовыравнивания

К моменту ₁ приток стал равным стоку и объект снова пришел в равновесие. Но за время ₁-₀ сток газа был больше его притока,. и количество газа в сети все время уменьшалось, а давление P₂ падало.

Количество газа, отобранного из трубопровода за время ₁-₀, равно площади 1 (см. рис. 3.2). В момент ₁ давление газа p₂ перестает падать, но остается ниже давления p₀₂, на которое настроен регулятор и при котором он находится в равновесии. Поэтому несмотря на то что объект пришел в равновесие, регулятор продолжает работать: его клапан открывается, приток газа увеличивается и становится больше стока. В результате регулятор выводит объект из равновесия. За вторую четверть периода ₂-₁ приток все время превосходит сток, количество газа в газопроводе увеличивается и его давление растет. Наконец, в момент ₂ убыль газа за первую четверть периода полностью компенсирована его дополнительной подачей и давление газа р₂ делается равным давлению, на которое настроен регулятор. Регулятор приходит в равновесие, но в этот момент приток больше стока (М_п>М_с), объект не находится в равновесии, давление газа р₂ делается больше давления настройки регулятора и объект выводит его из равновесия. Клапан регулятора изменяет направление движения на обратное, и он начинает закрываться.С момента ₂ процесс регулирования повторяется, но в противоположном направлении. Таким образом, если регулятор настроен на определенное давление р₀₂ и действующий импульс на регулятор пропорционален отклонению р₂ от р₀₂, процесс регулирования представляет собой периодический незатухающий процесс.

Регуляторы, работающие по рассмотренному принципу, называются астатическими. Эти регуляторы после возмущения приводят регулируемое давление к заданному значению независимо от величины нагрузки и положения регулирующего органа. Таким образом, равновесие системы при астатическом регулировании может наступить только при заданном значении регулируемого параметра, причем регулирующий орган может занимать любое положение.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. превращение его в затухающий, в регулятор вводят стабилизирующие устройства, в частности, жесткую обратную связь. Такое регулирование называют статическим.

2

Регуляторы этого типа характеризуются тем, что значение регулируемого давления при равновесии системы зависит не только от задания (настройки регулятора), но и от нагрузки или от положения регулирующего органа. Каждому значению регулируемого параметра соответствует одно определенное положение регулирующего органа. При статическом регулировании равновесное значение регулируемого давления всегда отличается от заданной величины, и только при номинальной нагрузке фактическое давление становится равным номинальному значению. Таким образом, статические регуляторы характеризуются неравномерностью, под которой понимают величину изменения регулируемого параметра, необходимую для перестановки регулирующего органа из одного крайнего положения в другое.Если груз у регулятора заменить пружиной, как это показано на рис.3.3, то регулятор станет статическим, а пружина будет стабилизирующим устройством. Усилие, развиваемое пружиной, пропорционально ее деформации. Когда клапан находится в крайнем верхнем положении (закрыт, М_п=0) пружина приобретает наибольшую степень сжатия и р₂ становится максимальным. При полностью открытом клапане (М_п=М^макс) р₂ уменьшается до минимального значения (рис.3.4, б).

Рис. 3.3. Статический регулятор давления

1 - регулирующий (дроссельный) орган; 2 - мембранно-пружинный привод;

3 - импульсная трубка; 4 - объект регулирования – газовая сеть

Рис. 3.4. График статического регулирования при отсутствии самовыравнивания

а - график регулирования; б - статическая характеристика регулятора

Рассмотрим процесс регулирования, протекающий во времени. Предположим, что до времени ₀ система (объект – регулятор) находилась в равновесии. В момент ₀ резко возрос сток газа. Давление в объекте стало падать (см. рис.3.4, а), но с увеличением расхода понизилось также и давление, на которое настроен регулятор (см. рис. 3.4, б), и в момент 2 объект и регулятор снова вошли в равновесие. Таким образом, переходный процесс превратился из колебательного в апериодический. Статическая характеристика, изображенная на рис. 3.4, б, является очень крутой, а ее неравномерность р составляет большую величину.

Обычно регуляторы конструируют с небольшой неравномерностью. В таком случае процесс регулирования будет не апериодическим, а колебательным (затухающим).

Регуляторы давления бывают: прямого и непрямого действия, а также промежуточного типа.

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

У регуляторов непрямого действия 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 регулятора, то регулятор называется «после себя»; если регулируется давление до регулятора, то регулятор называется «до себя». Для регулирования давления газа в городских системах газоснабжения применяют регуляторы «после себя».