СТАБИЛИЗАТОРЫ давления газа

наука и конструирование
1 | 82 | 2013
От редакции.
Под термином «трубопроводная арматура» скрывается огромное множество конструкций самого разного
функционального назначения. Но, к сожалению, многие участники рынка хорошо знакомы лишь с одним ее видом –
с запорной арматурой. А арматуру регулирующую, которая обычно конструктивно сложнее, интереснее и
разнообразнее, знают гораздо хуже. Представленная вашему вниманию статья посвящена одной из разновидностей
регулирующей арматуры – стабилизаторам давления газа. Ее авторы – профессиональные разработчики такой
арматуры, специалисты Ангарского НПП ОКБА (Опытно-Конструкторского Бюро Автоматики), ведущего российского
производителя измерительных приборов и метрологического оборудования.
СТАБИЛИЗАТОРЫ давления газа
И.А. Кондратьев, А.М. Габа, В.П. Пирог, И.Г. Черняев, НПП ОКБА
УНИФИЦИРОВАННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР
Опыт использования
серийно выпускаемых
промышленностью
регуляторов давления
и расхода показал,
что они мало подходят
для аналитических
приборов, измеряющих
микроконцентрации
компонентов
в анализируемом газе.
Регуляторы давления,
стоящие по движению
газового потока перед
измерительной ячейкой,
ухудшают динамические
характеристики
приборов вследствие
того, что используемые
в них материалы
обладают значительной
сорбционной емкостью,
особенно по отношению
к влаге, а также из-за
значительных внутренних
объемов.
Для приборов аналитического контроля были разработаны унифицированные стабилизаторы давления газа, которые снабжены диффузионным барьером,
исключающим проникновение влаги из окружающей атмосферы через неметаллические детали (прокладки, мембраны) в поток анализируемого газа, а также
уменьшающим влияние сорбционных процессов в объеме газового тракта. Все
унифицированные стабилизаторы являются регуляторами прямого действия,
в которых перемещение регулирующего органа осуществляется за счет энергии
потока газа. Такой стабилизатор представляет собой дроссельное устройство,
приводимое в действие мембраной или сильфоном. Всякое изменение давления
газа вызывает изменение проходного сечения, что влечет за собой увеличение или
уменьшение количества газа, протекающего через стабилизатор. В стабилизаторах прямого действия чувствительный элемент, воспринимающий измерительный
импульс, непосредственно осуществляет перемещение регулирующего органа.
Коэффициент стабилизации давления газа определяется по формуле:
,
где: Рвх max, Рвх min – максимальное и минимальное входное давление, МПа;
cт max, cт min – максимальное и минимальное выходное стабилизированное давление, МПа.
СДГ-131А
50
(1)
СДГ-121
СДГ-100М
наука и конструирование
1 | 82 | 2013
Изменение стабилизируемого давления при изменении
расхода газа на 10 л/ч рассчитывается по формуле:
,
(2)
где: Рст max, Рст min – максимальное и минимальное стабилизируемое давление при изменении расхода газа, кПа;
Q1 и Q2 – минимальный и максимальный расход, л/ч.
Для стабилизации давления газа при анализе чистых газов используются унифицированные стабилизаторы давления газа СДГ-116А и СДГ116Г, которые стабилизируют давление «до себя», а для поддержания давления пропускают
через стабилизатор излишки газа, которые потом сбрасываются в байпасную линию. Чтобы оценить преимущества
применения стабилизаторов СДГ- 116А в приборах аналитического контроля, рассмотрим более подробно принцип
работы и область применения стабилизаторов.
Принцип работы стабилизатора СДГ-116А (рис.1) с односедельным плоским затвором с эластичным уплотнением
[1] основан на уравновешивании силы упругой деформации
регулирующей пружины 10, действующей на мембрану 3
и силы от давления газа в подмембранном пространстве.
Мембрана управляет работой клапана 6, при этом в сопло
корпуса 1 сбрасывается такое количество газа, что давление
в подмембранной камере и газовой линии до стабилизатора остается постоянным. Вращением установочного винта
13 в резьбовом отверстии тарелки 9 устанавливается необходимое давление в рабочем диапазоне входных давлений.
Крышки 2 и 12 формируют надмембранное пространство,
а отверстие 11 служит для выхода газа при нарушении герметичности мембраны.
При вращении установочного винта против часовой
стрелки стабилизируемое давление увеличивается, а при
его вращении по часовой стрелке – уменьшается.
Рис. 1. Стабилизатор давления газа СДГ-116А
При работе стабилизатора пружина 7 прижимает клапан 6 вниз до упора и упругих деформаций не испытывает,
т.е. клапан 6, фланец 4 и тарелка 5 представляют собой при
работе жесткий узел. В нерабочем положении, когда давление газа в подмембранной камере отсутствует, пружина
10 прижимает жесткий центр мембраны до крайнего нижнего положения, при этом сопло корпуса 1 через клапан 6
и толкатель 8 сжимает пружину 7. Тем самым клапан 6 предохраняется от разрушения кромками сопла. Для плоской
дросселирующей поверхности при высоте подъема клапана 0,25 от диаметра дросселирующего отверстия площадь
проходного сечения затвора изменяется пропорционально
высоте подъема клапана, т. е. в этих пределах конструктивная характеристика затвора линейная.
Область применения стабилизаторов – регулирование и
стабилизация давления газа в линии «до себя» в системах
газового анализа, газоанализаторах, гигрометрах и других
приборах аналитического контроля.
СТАБИЛИЗАТОР С КОНИЧЕСКИМ ЗАТВОРОМ
Кроме унифицированных стабилизаторов давления газа,
разработаны стабилизаторы, расширяющие область их применения в приборах аналитического контроля.
Стабилизатор давления газа (рис. 2) предназначен для
преобразования высокого входного давления в низкое выходное стабилизированное. Стабилизатор представляет
собой мембранный регулятор прямого действия. В установившемся режиме усилие пружины 1 уравновешивается
усилием от давления газа под мембраной 2. При изменении давления газа на входе в стабилизатор давление под
мембраной 2 изменяется, вызывая больший или меньший
прогиб мембраны, вследствие чего связанный с мембраной клапан 3 перемещается относительно сопла с кали-
Рис. 2. Стабилизатор давления газа
51
наука и конструирование
1 | 82 | 2013
брованным цилиндрическим отверстием в корпусе 6. При
этом изменяется кольцевой зазор между соплом и клапаном так, что выходное давление принимает прежнюю величину.
Регулирующий винт 4 воздействует через пружину 1
на мембрану 2, обеспечивая тем самым регулировку давления анализируемого газа на выходе из стабилизатора.
Для предотвращения попадания влаги из окружающей
среды в анализируемый газ через прокладки, узел соплоклапан защищается втулкой 5, вследствие чего каналы
входа и выхода газа около клапана находятся под постоянным обдувом анализируемым газом. Часть анализируемого газа через зазор между втулкой 5 и корпусом
6, а затем через постоянное пневматическое сопротивление 7 [2] и штуцер 8 БАЙПАС уходит в дренажную систему. Анализируемый газ поступает через штуцер 9 ВХОД
ГАЗА в подклапанное пространство, загерметизированное
крышкой 10, а затем через каналы в корпусе 6 поступает
к штуцеру 11 ВЫХОД ГАЗА.
В стабилизаторе применен упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и гофрированной рабочей поверхностью, обеспечивающий максимальную чувствительность, оптимизацию термомеханических характеристик
и улучшение динамических параметров. В конструкции
мембранного узла реализованы требования, предъявляемые к упругому элементу: стойкость к воздействию анализируемого газа, отсутствие нелинейности и гистерезиса
нагрузочной характеристики, стабильные механические
характеристики.
Для стабилизации параметров мембранного упругого
элемента применяются термоциклические воздействия и
механические тренировки. Это обеспечивает получение
следующих технических параметров:
– давление на входе, МПа
от 0,05 до 40
– стабилизируемое давление
на выходе, МПа
– расход газа (по воздуху), л/ч
Рис. 3. Конический затвор
ветственно, поддержания выходного стабилизированного
давления в заданных пределах.
Одним из основных параметров, необходимого для расчета расхода среды, является площадь проходного сечения
Fдр. Самое узкое сечение клапана представляет собой линейчатую поверхность усеченного конуса, образующая которого перпендикулярна образующей конического клапана
и проходит через острую кромку отверстия сопла. Площадь
этого проходного сечения зависит от величины открытия
конического клапана и описывается выражением:
Fдр = H · sinα (Dотв – H · sinα · cosα),
(3)
где: Dотв – диаметр отверстия сопла, мм;
Н – величина осевого перемещения конического клапана, мм;
α – половина угла при вершине конического клапана,
градусы.
При известных геометрических параметрах представленная
зависимость позволяет определить площадь проходного
сечения.
0,035 ⫾ 0,001
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
600
Расширяющийся рынок трубопроводной арматуры при существующем использовании приборов аналитического
контроля предоставляет возможность выбора более качественных стабилизаторов давления газа отечественного и
импортного производства, решая возникающие проблемы
при эксплуатации измерительной техники [3].
Информация о серийно выпускаемых стабилизаторах давления газа размещена на сайте: www.okba.ru. Там же размещена и другая информация об изделиях трубопроводной
арматуры и о приборах аналитического контроля, в которых используются стабилизаторы давления газа.
КОНИЧЕСКИЙ ЗАТВОР
В рассмотренном стабилизаторе давления газа применяется конический затвор с коническим клапаном, схематическое изображение которого приведено на рис.3.
Регулирующий затвор состоит из сопла 1 с калиброванным
цилиндрическим отверстием, запираемым острым коническим клапаном 2. Изменяя величину открытия конического
клапана Н, добиваются регулирования расхода газа и, соот-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Регуляторы давления газа / В.М. Плотников, В.А. Подрешетников, А.П. Дроздов, В.У. Гончаров. – Л.: Недра, 1982. - 125 С.
2. Исследование пропускной способности постоянных пневматических сопротивлений / В.П. Пирог, А.М. Габа, Б.Ф. Кузнецов. // Приборы, 2009. С. 34-37.
3. Газовые узлы, используемые при анализе состава чистых газов / А.М. Габа, А.К. Семчевский, В.П. Пирог.// Технические
газы, 2007. №6, С. 68-70.
52