Як працює регулятор тиску з прямим керуванням?

Це винахід, який ми сприймаємо як належне. Всього 135 років тому регулювання тиску було ручним, трудомістким процесом, який зараз автоматизований простим механічним пристроєм. У наступній публікації розглядається призначення регуляторів тиску, компоненти, що складають регулятор, та те, як ці компоненти працюють разом.

Призначення регуляторів

Регулятори тиску – це автономні пристрої з клапанами та виконавчими механізмами, метою яких є зниження тиску та підтримка постійного тиску на виході, незважаючи на зміну потреби в потоці. Вони є автономними, оскільки ці суто механічні пристрої можуть контролювати тиск без зовнішніх джерел живлення та без вичерпування будь-якої технологічної рідини. Регулятори прямого дії, також відомі як регулятори з функцією автоматичного керування, є найпростішим типом регуляторів тиску та є найпоширенішими завдяки своїй простоті та економічності.

Типове застосування газу показано нижче. Потреба будинку в газі змінюється протягом дня, оскільки обігрівач, плита та водонагрівач циклічно вмикаються та вимикаються. Зі збільшенням попиту регулятор повинен збільшувати потік до будинку, відкриваючи клапан. Якби цього не сталося, тиск між регулятором і будинком зменшився б. Також вірно і протилежне — зі зменшенням попиту регулятор повинен обмежувати потік, щоб тиск у будинку не підвищувався. Таким чином, тиск показує, чи подає регулятор саме ту кількість газу, яку потребує будинок.

До 1880 року контроль тиску здійснювався шляхом регулювання ручного клапана людиною, яка спостерігала за манометром. У 1880 році Вільям Фішер винайшов пристрій для автоматизації контролю тиску, який називався регулятором тиску, винахід, який покращив наше повсякденне життя. Він усвідомив, що функцію, яку виконували клапан, манометр і людина-оператор, можна виконувати механічно, поєднавши три компоненти. Перший компонент – це клапан, подібний до того, яким керує людина вручну. Він складається з корпусу клапана, отвору, плунжера клапана та штока, як показано нижче. Коли шток рухається вгору, плунжер клапана рухається до отвору, обмежуючи потік. Потік через отвір збільшується шляхом переміщення штока вниз, від отвору.

Другий компонент у конструкції регулятора замінює функцію манометра та забезпечує зворотний зв'язок до регулятора щодо того, чи відповідає потребам будинку в потоці. Цей компонент зазвичай являє собою армований тканиною гумовий лист, який називається діафрагмою. Він з'єднаний з плунжером клапана за допомогою штока та модулює положення плунжера клапана на основі тиску, який він вимірює через шматок трубки, відому як керуюча лінія, підключена до трубопроводу нижче за течією. Якщо потреба в потоці з боку будинку зменшується, тиск між будинком та регулятором збільшується, що призводить до надування діафрагми вгору. Рух діафрагми вгору переміщує плунжер клапана ближче до отвору, обмежуючи потік, що саме те, що потрібно, коли будинок зменшує споживання газу. Якщо потреба будинку в газі збільшується, контрольований тиск зменшується, що призводить до здування діафрагми вниз. Рух діафрагми та плунжера клапана вниз далі відкриває регулятор, що саме те, що потрібно для відповідності збільшеному попиту з боку будинку.

Третій і останній важливий компонент регулятора замінює людину-оператора. Сучасні регулятори використовують пружини для прикладання сили до верхньої частини діафрагми, необхідної для відкриття регулятора, та регулювальний гвинт, який дозволяє користувачеві регулювати тиск, який регулятор ідеально контролюватиме, відомий як задане значення.

Якісні регулятори тиску газу можна знайти тут, "ТК Меркурій" - єдиний офіційний дистриб’ютор на території України газового обладнання та товарів “Emerson Automation Solutions inc”.

Регулятор тиску з прямим керуванням – це комбінація клапана, мембрани та пружинних компонентів. Щоб проілюструвати, як працює регулятор прямого дії, можна використати регулятор Вільяма Фішера в гіпотетичному газовому обладнанні для дому з тиском на вході 60 фунтів на квадратний дюйм, який налаштований на регулювання тиску в обігрівачі, плиті та водонагрівачі будинку на рівні 1 фунта на квадратний дюйм.

Провал тиску

Внутрішні частини регулятора рухатимуться в будь-якому напрямку лише тоді, коли діафрагма виявляє зміну тиску на виході. Важливість цієї характеристики роботи регулятора часто неправильно розуміють. Якщо регулятор виявляє зниження тиску на виході (через збільшення потреби в потоці), подальше зменшення сили, спрямованої вгору на діафрагму, перемістить плунжер клапана вниз, від отвору. Це призводить до додаткового потоку в спробі відповідати збільшеному попиту. Якщо регулятор не відкрився достатньо, щоб задовольнити потребу, тиск на виході повинен ще більше зменшитися, щоб регулятор відкрився більше. Термін, що використовується для цієї характеристики, – провал тиску.

Коли графік залежності витрати від тиску на виході для регулятора прямого дії виглядає так, як показано на діаграмі нижче. Задане значення встановлюється при низькій витраті (зазвичай 5-10% від максимуму), але це єдина швидкість потоку, при якій тиск на виході буде точно дорівнювати заданому значенню. Якщо регулятор потрібно більше закрити, тиск на виході повинен збільшитися. Якщо регулятор потрібно більше відкрити, тиск на виході повинен зменшитися. Дехто помилково вважає, що це питання швидкості реакції, коли це просто короткочасна зміна контрольованого тиску, але він відновиться до заданого значення в сталому стані; однак це не так. Використовуючи наведену нижче криву продуктивності як приклад, тиск на виході буде дорівнювати заданому значенню 1 фунт/кв. дюйм лише при потребі в потоці 50 scf/год. Щоразу, коли потреба в потоці перевищує 50 scf/год, тиск на виході падає нижче 1 фунт/кв. дюйм. Регулятори прямого керування - це суто механічні вироби, для функціонування яких потрібна зміна тиску на виході.

Виробники регуляторів можуть просто опублікувати витрату при повністю відкритому клапані (500 scf/год у нашому прикладі), але при цій витраті тиск на виході становить 0 psig. Це значення використовується лише при визначенні розміру запобіжного клапана, коли потрібно знати максимальну витрату, яку може пропустити регулятор, якщо він не вийде з ладу. Fisher публікує це значення в кожному бюлетені регулятора зниження тиску як коефіцієнт витрати Cv при повністю відкритому клапані.

У більшості застосувань тиск на виході має підтримуватися набагато ближче до заданого значення, тому замість цього витрати публікуються з певною точністю; ±20% є звичайним для прямих регуляторів. На графіку нижче для точності ±20% буде опубліковано витрату 275 scf/год, оскільки це максимальна витрата, перш ніж продуктивність регулятора впаде за межі точності ±20%. Якщо потреба в потоці менша за 275 scf/год, тиск на виході буде ближче до заданого значення. Аналогічно, якщо потреба в потоці перевищує опубліковані 275 scf/год, це не означає, що регулятор не має достатньої потужності; він просто буде менш точним. У цьому випадку, коли необхідна витрата вища за опубліковану, але застосування допускає більшу неточність, розрахуйте максимальну витрату, яку може забезпечити регулятор, використовуючи заявлену варіацію потоку (Cv) при широкому відкритті. Якщо необхідна витрата більша за опубліковану витрату, але менша за розраховану максимальну, то можна бути впевненим, що регулятор пропускатиме більше, ніж потрібно.