Газорегуляторные пункты и установки, технологические схемы

Газорегуляторные пункты и установки, технологические схемы

Регуляторы давления газа

Определение пропускной способности регулятора

Вспомогательное оборудование ГРП и ГРУ

4.1 Предохранительные запорные клапаны

4.2 Предохранительные сбросные клапаны.

4.3 Определение пропускной способности.

4.4 Газовые фильтры.

Газорегуляторные пункты и установки, технологические схемы

Подача газа к газифицированным городам, населенным пунк­там или промышленным объектам производится от магистраль­ных газопроводов через газораспределительные станции или круп­ные газораспределительные пункты (КРП).

ГРС и КРП являются конечными объектами магистрального газопровода и выполняют следующие задачи: очистка газа от ме­ханических примесей; снижение давления газа до заданного зна­чения и автоматическое поддержание этого значения; подогрев газа перед снижением давления, препятствующий выделению твердых кристаллогидратов и обмерзанию трубопроводов и арматуры; за­щита трубопроводов от недопустимых повышений давления; одо­ризация газа; учет расхода и количества проходящего газа.

От ГРС или КРП газ транспортируется по сети среднего или высокого давления до газорегуляторных пунктов и газораспреде­лительных установок, располагаемых в отапливаемых отдельно сто­ящих зданиях, где давление газа снижается и он подается в рас­пределительные газопроводы разных категорий давления. Наибо­лее разветвленными и, следовательно, протяженными и дорогос­тоящими являются распределительные газопроводы низкого дав­ления, которые снабжают массового потребителя (жилые дома, мелкие промышленные и коммунально-бытовые потребители).

Надежное и устойчивое функционирование систем газоснаб­жения невозможно без надежной работы регулирующей и предох­ранительно-запорной арматуры и оборудования. Первым и основ­ным условием устойчивой и безопасной работы системы газоснаб­жения является обеспечение постоянного давления; второе усло­вие — предохранение от возможного повышения или понижения давления газа в контролируемой точке газопровода или перед газоиспользующей установкой.

Системы газоснабжения работают круглосуточно с переменны­ми режимами, зависящими от характера потребления. Наиболь­шая неравномерность потребления присуща мелким бытовым по­требителям, но и она имеет определенную закономерность, обус­ловливаемую большим числом факторов, главными из которых являются: климатические условия, уклад жизни населения, время работы предприятий и учреждений, состояние жилого фонда, сте­пень газификации разных категорий потребителей, степень инду­стриализации региона и т.п. Неравномерность потребления и оп­ределяет режимы давлений в распределительной газовой сети го­родов, поселков и сельской местности.

Основное назначение ГРП и ГРУ — снижение давления газа и поддержание его постоянным независимо от изменения входного давления и расхода газа потребителями. ГРП и ГРУ оснащаются схожим технологическим оборудованием и отличаются в основ­ном только расположением. ГРУ располагают непосредственно в помещениях, где находятся агрегаты, использующие газовое топ­ливо (цехах, котельных). ГРП в зависимости от назначения и тех­нической целесообразности размещают в пристройках к зданиям, встраивая в одноэтажные производственные здания или котель­ные, в отдельно стоящих зданиях.

В зависимости от набора технологического оборудования раз­личают газорегуляторные пункты (ГРП), газорегуляторные пунк­ты блочные (ГРПБ), шкафные регуляторные пункты (ШРП) и шкафные регуляторные установки (ШРУ).

Газорегуляторный пункт, который смонтирован в контейнере блочного типа, собирают и испытывают в заводских условиях.

Для шкафных газорегуляторных пунктов характерно размеще­ние технологического оборудования в контейнерах шкафного типа.

ГРП и ГРПБ различают с входным давлением газа до 0,6 МПа и входным давлением газа свыше 0,6 до 1,2 МПа.

ШРП и ШРУ различают с входным давлением газа до 0,3 М Па; свыше 0,3 до 0,6 МПа и свыше 0,6 до 1,2 МПа.

ГРП по своему назначению подразделяются на сетевые, кото­рые обеспечивают подачу газа в распределительные сети низкого, среднего или высокого давлений, и объектовые, служащие исто­чниками газоснабжения для отдельных потребителей. В состав тех­нологического оборудования регуляторных пунктов входят следу­ющие элементы:

регулятор давления, понижающий или поддерживающий постоянным давление газа независимо от его расхода;

предохранительный запорный клапан (ПЗК), прекращающий
подачу газа при повышении или понижении его давления после
регулятора сверх заданных значений;

предохранительное сбросное устройство, предназначенное для
сброса излишков газа, чтобы давление не превысило заданное в
схеме регуляторного пункта;

фильтр газа, служащий для его очистки от механических примесей;

•контрольно-измерительные приборы (КИП), которые фик­сируют давление газа до и после регулятора, а также на обводном газопроводе (манометр); перепад давлений на фильтре, позволя­ющий судить о степени его загрязненности (дифманометр); расход газа (расходомер); температуру газа перед расходомером (термо­метр);

- импульсные трубопроводы, служащие для присоединения ре­гулятора давления, предохранительно-запорного клапана, предо­хранительного сбросного устройства и контрольно-измерительных приборов.

Технологические схемы оборудования ГРП(ШРП), ГРУ(ШРУ) могут быть самыми разнообразными: число технологических ли­ний в зависимости от расхода газа и режима потребления его мо­жет быть от одной до пяти. ГРПмогут быть одно- и двухступенча­тыми. Принципиальная схема одноступенчатого ГРП (ГРУ) пока­зана на рис. 1.

Рис 1. Схема ГРП (ГРУ) с регулятором РДУК-2 и измерением расхода газа двумя ротационными счетчиками:

1, 10 — сбросный трубопровод; 2— показывающий манометр; 3 — самопишущий манометр; 4 — самопишущий термометр; 5 — технический термометр; 6 — фильтр ревизии; 7, 9, 12 — задвижки; 8 — ротационные счетчики; 11 — запорное уст­ройство; 13— запорное устройство на выходе из ГРП; 14 — импульсный трубо­провод; 15 — поворотные колена; 16 — запорное устройство в конце основной рабочей линии; 17 — регулятор давления; 18 — пилот; 19 — фильтр; 20 — кран на сбросном трубопроводе; 21 — задвижка в начале технологической линии; 22 — запорное устройство перед ГРП

Регуляторы давления газа

Они предназначены для автоматического поддержания давле­ния на заданном уровне. В общем виде совокупность регулируемого объекта и регулирующего органа образует замкнутый контур системы автоматического регулирования, функциональная структу­ра которого показана на рис. 2.

Во время работы в регулируемом объекте вследствие возмуща­ющего воздействия, а также изменения нагрузки на притоке Q_n или стоке Q_c происходит отклонение регулируемого давления р₂ от заданного значения, что вызывает воздействие объекта на регуля­тор, который, изменяя текущее значение регулируемого давления и сравнивая его с заданным, отрабатывает регулирующее воздей­ствие μ на объект, которое посредством регулирующего органа изменяет приток газа так, что текущее значение регулируемого давления возвращается к заданному значению. Требуемое значе­ние регулируемого давления устанавливается задающим воздей­ствием h.

Процесс, обеспечивающий понижение давления газа на выхо­де и поддержание его на постоянном уровне при переменном рас­ходе, называют дросселированием. Обеспечивается он устройства­ми, называемыми дросселями. Они понижают давление р₁, в начале потока до более низкого давления р₂ на выходе за счет потерь на­пора, вызываемых в потоке газа. Этими потерями напора можно управлять, поддерживая одно из давлений р₁, или р₂ постоянным или изменяющимся по заданному закону. Наиболее простое уст­ройство состоит из отверстия, степень открытия которого варь­ируется задвижкой (клапаном или краном) ручного управления (чтобы добиться желаемого давления р₁ в сети в любом случае). Между верхним и нижним давлениями и массовым расходом (либо объемным расходом Q_o газа, выраженным в нормальных условиях по температуре и давлению) существует взаимосвязь в зависимос­ти от режима истечения газа через отверстие клапана регулятора сечением f_K. Вследствие этого, каково бы ни было значение одного из давлений (на входе или выходе) и расхода газа, существует значение площади сечения f_K, которое позволяет установить другое давление (на выходе или входе) на желаемом значении в пре­делах возможностей устройства.

Процесс дросселирования не может быть отделен от процесса регулирования, особенно когда, например, выходное давление дол­жно поддерживаться в установленных пределах. Отсюда следует на­звание этих устройств «дроссель-регулятор». В дальнейшем будут об­суждаться дроссели-регуляторы выходного давления, упрощенно называемые регуляторами давления. При установившейся работе си­стемы «регулятор давления — объект» количество газа, пропуска­емого регулятором давления газа, равно количеству отбираемого газа, т.е. при условии этого равновесия регулируемый параметр — выходное давление — сохраняет свое постоянное значение. Если равновесие нарушено, например, вследствие изменения режима по­требления, тогда будет изменяться и регулируемое давление р₂. Ре­гулятор давления будет находиться в равновесии, если алгебраиче­ская сумма сил, т.е. ∑N_i, действующих на регулирующий клапан, равна нулю. В этом случае регулятор будет пропускать в объект и постоянное количество газа. Если баланс сил нарушается, то кла­пан начнет перемещаться в сторону действия больших сил, изме­няя приток газа. Таким образом, равновесие объекта обеспечивает­ся условием равенства притока газа через регулятор и стока его в систему к объекту, а равновесие регулятора — условием ∑N_i = 0.

Как видно из рис.2, на регулирующий механизм воздейству­ют следующие силы: сила, образованная от действия регулиру­емого давления на мембрану; противодействующая сила, которая уравновешивает первую; дополнительные силы, обусловленные массой подвижных частей, сил трения, инерционных сил и др.

Согласно принципу Д'Аламбера ∑N = 0:

где р₂ — выходное давление; F_M — активная площадь мембраны; р₁ — входное давление; f_к — площадь клапана регулирующего орга­на;N_зад— задающая противодействующая сила; N_Tp — силы тре­ния, возникающие при движении (колебании) подвижных частей регулятора; N_ин — инерционные силы. (В установившемся режиме действием инерционных сил и сил трения можно пренебречь.)

Примем, что активная площадь мембраны остается неизмен­ной, тогда

Допустим, что р₁ = р₂, то получим

где N_зад — постоянная величина, по которой можно определить отклонение давления р₂.

При изменении начального давления на величину Δр1 измене­ние конечного давления на Δр₂ можно найти из уравнения

При значительных изменениях начального давления влиянием конечного давления можно пренебречь, конечное давление тогда

В соответствии с теми задачами, которые должен выполнять регулятор при работе его в совокупности с регулируемым объек­том, основные функции отдельных его элементов сводятся к сле­дующим. Датчик производит непрерывное измерение текущего значения регулируемой величины, преобразует его в выходной сигнал и подает к регулирующему устройству. Задающее устрой­ство вырабатывает сигнал заданного значения регулируемой вели­чины ф₀ и также подает его к регулирующему устройству. Регули­рующее устройство производит алгебраическое суммирование сиг­налов текущего и заданного значений регулируемой величины, в результате чего образуется сигнал рассогласования Δφ=φ_м - φ₀, который усиливается, корректируется в соответствии с принятым для данного регулятора законом регулирования и в виде команд­ного сигнала ц_к подается к исполнительному механизму. Исполни­тельный механизм преобразует командный сигнал в регулирующее воздействие ц и в соответствующее перемещение регулирующего органа, который осуществляет воздействие на регулируемый объект путем изменения количества газа на его притоке. Линии связи со­единяют отдельные элементы друг с другом. Если переустановоч­ное усилие, развиваемое чувствительным элементом регулятора достаточно большое, то измерительный орган самостоятельно осу­ществляет функции управления регулирующим органом. Такие регуляторы называются регуляторами прямого действия (рис. 3). К этому типу регуляторов относятся широко распространенные в отечественной практике регуляторы РДП50(Н)В, РД50 М, РДУК-2, РДНК-У-1000идр.

В случае недостаточных усилий для достижения повышенной точности регулирования между чувствительным элементом и регу­лирующим органом устанавливается усилитель, т.е. в этих схемах измерительный орган выполняет роль и управляющего командно­го устройства. Измеритель управляет усилителем, в котором за счет постороннего воздействия создается усилие, воздействующее на регулирующий орган. В этих случаях регуляторы носят название регуляторов непрямого действия (рис. 4).

Регулирующее устройство здесь не связано непосредственно с исполнительным механизмом, а воздействует на него через про­межуточное звено. Уравнение статики такого регулятора отражает зависимость от конструктивного соотношения регулятора управ­ления, в котором клапан использован для выключения исполни­тельного устройства. Уравнение равновесия для данного ре­гулятора имеет вид

где F_M — эффективная площадь мембраны регулятора управления; S_p — площадь сечения штока клапана регулятора управления;f_к — площадь клапана регулятора управления; p₃ — промежуточное ре­гулирующее давление.

В регуляторе непрямого действия отклонение р₂ меньше, чем в регуляторе прямого действия, так как влияние начального давле­ния сказывается не непосредственно, а в зависимости от количе­ственной нагрузки Q регулятора. При этом изменение начального давления на Δp₁ ведет сначала к изменению промежуточного дав­ления на Δp₃, которое, в свою очередь, воздействует на изменение Δp₂

Влияние площади сечения седла S_c становится незначительным. Если p₁ = p₃ , то Δp₃ = Δp_1. Тогда общее отклонение выражается уравнением равновесия:

• для верхнего положения мембраны

• для нижнего положения мембраны

В регуляторе входное давление давит на исполнительный орган. Чтобы исполнительный орган открылся при входном давлении, на рабочую мембрану должна действовать сила F(p₁ - р₃), которая равна силе сбросного клапана f _ск (р1-р2). При массе М подвижных частей получим

откуда

Таким образом, на мембрану исполнительного устройства ре­гулятора давления непрямого действия воздействует разность дав­лений Δр = p₁ - р₃.

Примером такого типа регуляторов является блочный регуля­тор РДБК-1, включающий в себя односедельный регулирующий клапан, регулятор управления непрямого действия, стабилизатор, два основных регулирующих органа и один в камере над мембра­ной регулирующего клапана.

Одной из основных характеристик регуляторов давления явля­ется значение отклонения выходного давления (неравномерность регулирования), которое у статических регуляторов давления пря­мого действия составляет значение порядка ±(10...20) %, а у аста­тических регуляторов непрямого действия порядка ±(2...5) %.

Другими, но не менее важными характеристиками регулято­ров, являются надежность работы; нечувствительность; гермети­чность затвора регулирующего клапана; давление, при котором наступает герметичность затвора регулирующего клапана; предел регулирования по расходу и перепаду давлений. Регулятор давле­ния будет надежным, когда при идентичных значениях входного давления и расхода он всегда обеспечивает при постоянном режи­ме одно и то же выходное давление. В действительности наблюда­ется рассеивание этих значений, которое характеризует неточность регулирования и нечувствительность регулятора. Это обусловлено рядом факторов: трение в сопряженных движущихся частях, люф­ты в сочленениях, инерция массы подвижных частей и т.п. При этом регулирующий орган реагирует на изменения регулируемого давления, которые превосходят значения нечувствительности. Не­чувствительность е определяется величиной изменения регулируе­мого давления, обеспечивающего реверс в движении регулиру­ющего клапана. Относительное значение ξ = p_нечр_max / p₀ называют коэффициентом нечувствительности регулятора, которое в боль­шей мере зависит от качества изготовления и составляет для каче­ственно изготовленного регулятора 0,6...6%. Неравномерность ре­гулирования и нечувствительность регулятора нормируется ГОСТ 11881—76 «Регуляторы, работающие без использования посторон­него источника энергии».

В газовом хозяйстве получили распространение в основном ре­гуляторы, отрабатывающие релейный, пропорциональный и про­порционально-интегральный законы регулирования.

Регуляторы, отрабатывающие релейный закон регулирования, применяются обычно в котловой автоматике регулирования. При пропорциональном законе регулирования изменение проходного сечения отверстия S пропорционально разности давлений р₀ - р:

где S — площадь текущего сечения проходного отверстия регули­рующего органа, м²; S₀ — площадь сечения при первоначальном установившемся выходном давлении, м²; р — текущее выходное давление, МПа; р₀ — выходное первоначальное (номинальное) давление (в момент времени t = 0), МПа; к1 — коэффициент пропорциональности.

Регуляторы давления с пропорциональным законом регулиро­вания называются статическими. К статическим регуляторам от­носятся мембранные регуляторы с пружинной нагрузкой. Отличи­тельной особенностью этих регуляторов является то, что в устано­вившемся режиме работы регулируемая величина не может оста­ваться на заданном значении, а изменяется с изменением нагруз­ки объекта. Они обладают статической неравномерностью регули­рования и определенной степенью нечувствительности, порожда­емыми рядом факторов (трение, зазоры в сочленениях и др.), что является недостатком статических регуляторов (р изменяется с из­менением нагрузки объекта). С другой стороны, наличие статизма делает статический регулятор наиболее устойчивым при работе его в системе автоматического регулирования, что является важным достоинством. В целях уменьшения отклонения регулируемой ве­личины р от заданной р₀, обусловленного статической неравно­мерностью, заданное значение регулируемой величины р₀ целесо­образно устанавливать на средней нагрузке Q_cp.

При интегральном законе регулирования скорость изменения проходного сечения дроссельного отверстия пропорциональна раз­ности между выходным, текущим и расчетным значениями давления:

или

откуда и произошло название интегрального закона регулирова­ния. Регулятор давления с интегральным законом регулирования не дает отклонения между полученным и заданным значениями давления. После изменения расхода газа наступает новое равнове­сное состояние, скорость изменения проходного сечения дроссель­ного органа становится равной нулю, тогда р₀ – р=0, т.е. выходное давление восстанавливается до своего начального значения. Регу­лятор давления с интегральным законом регулирования в случае изменения расхода газа создает колебательный режим, при кото­ром текущее значение р колеблется около среднего значения р₀, и постоянный режим никогда не достигается. Недостатки регулято­ров с интегральным законом регулирования обусловлены их дина­мическими свойствами. Такие регуляторы называются астатиче­скими и могут применяться для регулирования только в объектах с большим самовыравниванием.

Сравнение регуляторов с пропорциональным и интегральным законами регулирования показывает, что первые обладают пре­имуществом по динамическим свойствам и обеспечивают лучший переходный процесс регулирования, а преимущества вторых обус­ловлены отсутствием статической неравномерности, т.е. лучшими статическими свойствами в установившемся режиме. Поэтому в практике применяются регуляторы с пропорционально-интеграль­ным законом регулирования, которые известны под названием регуляторов с упругой обратной связью, или изодромными. При от­клонении текущего значения регулируемой величины от заданно­го регулятор этого типа в начальный момент времени переместит регулирующий орган на значение, пропорциональное отклонению, но если при этом регулируемая величина не придет к заданному значению, регулирующий орган будет перемещаться до тех пор, пока регулируемая величина не достигнет своего заданного значе­ния.

Система автоматического регулирования, состоящая из объек­та регулирования и регулятора, должна быть не только устойчи­вой, но и обладать определенными качественными показателями: повышенной точностью регулирования в установившихся режи­мах (уменьшение или устранение статической ошибки воспроиз­ведения задающего воздействия, уменьшение или устранение вли­яния постоянных возмущений); улучшенными характеристиками переходных процессов.

Основными показателями качества регулирования являются время регулирования, перерегулирование, колебательность и установив­шаяся ошибка. Время регулирования определяет длительность или быстродействие переходного процесса. В тупиковых объектах имеет большое значение и скорость изменения регулируемой величины.

Основная трудность при подборе регуляторов давления состоит в том, что регулируемые объекты различны по своим динамическим свойствам. Они могут иметь участки с «бесконечно» большими объ­емами, например, при питании многочисленных сетей, до совершен­но коротких участков с объемом в несколько кубометров и менее, например, подвод к горелкам топок водогрейных и паровых котлов с относительно высоким потреблением газа. Регулятор должен не толь­ко стабильно работать в широком диапазоне нагрузок от минималь­ного потребления газа (для розжига) до полной нагрузки, но и быс­тро реагировать на резкую смену нагрузки между этими пределами.

Способы придания системам автоматического регулирования достаточного запаса устойчивости разнообразны. Наиболее доступ­ным и возможным решением этой задачи является правильный выбор регулятора давления для того или иного объекта регулиро­вания, которые будут рассмотрены далее.

При отсутствии расхода газа выходное давление его увеличива­ется до тех пор, пока не будет достаточным для герметичного зак­рытия регулирующего клапана. Это давление не должно быть боль­ше максимально допустимого рабочего давления всех подключен­ных к газовой распределительной сети газоиспользующих установок и приборов. Обычно в практике указанное давление не превы­шает полуторакратного значения от настроечного значения регу­лятора давления газа.

СНиП 2.04.08-87* «Газоснабжение» регламентирует относительную нерегулируемую протечку газа через закрытые кла­паны двухседельных регуляторов значением 0,1 % от номинально­го расхода. Для односедельных клапанов герметичность затворов должна соответствовать 1 классу по ГОСТ 9544—75. Допустимая нерегулируемая протечка газа при применении в качестве регули­рующих устройств поворотных заслонок не должна превышать 1 % от их номинальной пропускной способности.

Предел регулирования по пропускной способности представ­ляет собой отношение максимальной пропускной способности регулятора к минимальной пропускной способности, при кото­рой он будет продолжать работать, удовлетворительно поддержи­вая заданное значение давления. При этом ограничивающим фак­тором является возникновение автоколебаний (пульсаций, вибра­ций) регулирующего органа. Это явление происходит в случае, когда нагрузка снижается до некоторой точки ниже минимальной пропускной способности. Регуляторы давления газа непрямого дей­ствия типа РДБК имеют диапазон пропускной способности около 1:20. При большом объеме сети и условиях с медленными измене­ниями нагрузок это отношение увеличивается до 1:30.

Регуляторы давления прямого действия с жесткой обратной связью имеют устойчивый процесс регулирования во всем диапа­зоне к пропускной способности. Другими характеристиками регу­лятора давления газа являются его пропускная способность при максимальном и минимальном рабочем давлениях; минимальный перепад входного и выходного давлений, при котором регулятор работоспособен.