2.5 Узел регулирования давления

Этот узел предназначен для плавного ограничения давлений на входе и максимального на выходе НПС путем изменения характеристики трубопровода.

Для магистрального нефтепровода, работающего по схеме «через емкость», причинами повышения давления могут быть:

1) изменение состояния нефтепровода при прикрытии и закрытии линейной задвижки или задвижки на конце трубопровода;

2) последовательная перекачка нефтей со значительно отличающейся вязкостью.

На нефтепроводах, работающих по схеме «из насоса в насос», повышение давления происходит вследствие снижения пропускной способности трубопровода при колебаниях давления из – за запуска и остановки насосно – силовых агрегатов на одной из станций, запуска на них насосов для откачки резервуаров сбора утечек и по другим причинам.

Схема узла регулирования давления имеет вид (рис. 2.19):

Рис. 2.19 Узел регулирования давления

Диаметры регулирующих устройств всегда меньше диаметров трубопроводов, поэтому для их установки необходимы конусные переходы.

Регулирующие устройства, как любая арматура, характеризуются допустимым рабочим давлением и условным диаметром D_у. условным диаметром или проходом называется номинальный размер диаметра прохода в присоединительных патрубках. Рабочее давление должно соответствовать рабочему давлению корпуса насосов и коллектора насосной станции.

В качестве регулирующих устройств на НПС могут использоваться:

1) двухседельные клапаны (рис. 2.20);

Рис. 2.20 Регулирующие односедельные (а) и двухседельные (б) клапаны:

1 – корпус; 2 – крышка; 3 – шток; 4 – седло; 5 – плунжер.

2) поворотные заслонки (рис. 2.21);

Рис. 2.21 Поворотная заслонка:

а – профилированная; б – фирмы «Ванесса».

3) шаровые краны (рис. 2.22);

Рис. 2.22 Шаровой кран:

а – с плавающим шаром (1 – корпус; 2 – шар; 3 – поворотная цапфа; 4 – присоединительные фланцы; 5 – уплотнительный элемент; 6, 7, 8, 9 – уплотнения типа «о» кольца; 10 – болт; 11 - гайка); б – на опорах (??)

Двухседельные клапаны имеют следующие преимущества:

1. небольшие усилия по штоку, что позволяет применять исполнительные механизмы небольшой мощности;

2. довольно большая пропускная способность;

3. хорошее качество регулирования;

4. легкость получения любого вида расходной характеристики.

К их недостаткам относятся:

1) большая трудоемкость в обработке седел и плунжеров;

2) сравнительно большие габариты и металлоемкость;

3) сложность разборки и ремонта.

Значительное увеличение массогабаритных характеристик при повышении пропускной способности ограничивает применение двухседельных клапанов для регулирования давления на нефтепроводах диаметром больше 800 мм. Для регулирования потока в трубопроводах большего диаметра применяются поворотные заслонки, обладающие следующими преимуществами по сравнению с клапанами:

1. большая пропускная способность;

2. простота конструкции;

3. малые габариты;

4. низкая стоимость и трудоемкость;

5. меньшая мощность исполнительного механизма.

Недостатком поворотных заслонок является значительная зависимость крутящего момента для поворота заслонки от угла поворота (рис. 2.23), поэтому на нефтепроводах рекомендуется использовать заслонки, с максимальным углом открытия 60 ÷ 75⁰С, что снижает пропускную способность.

Рис. 2.23 Изменение динамического момента сопротивления М_Д в зависимости от угла поворота заслонки φ:

1 – плоский диск; 2 – профильный диск.

В шаровых кранах проходное сечение при полном открытии соответствует диаметру подводящего трубопровода. При повороте пробка полностью перекрывает сечение трубопровода. Преимуществом шаровых кранов является:

1) высокая пропускная способность;

2) равнопроцентная характеристика регулирования;

3) герметичность;

4) быстрота перемещения;

5) возможность работы при больших перепадах давления.

Эти преимущества делают шаровые краны незаменимыми при использовании регулирования способом перепуска. Однако из – за малого изменения сечения при начальных углах закрытия в начале регулирования не обеспечивается быстрое влияние на процесс.

Основными параметрами регулирующих устройств являются:

1. коэффициент пропускной способности;

2. диапазон регулирования;

3. допустимый перепад давления;

4. скорость перемещения исполнительного органа из положения полного открытия в положение полного закрытия или наоборот.

Гидравлическое сопротивление регулирующего устройства определяется его пропускной способностью. Пропускной способностью называется расход холодной воды в м³/час при 5⁰С и перепаде давлений 0,1 МПа. Пропускная способность при максимальном открытии называется условной пропускной способностью устройства К_V. Величина этого параметра зависит от типа регулирующего устройства и его размера:

ДУ, мм Устройство	100	200	400	600
Двухседельный клапан	160	630	2500	7500
Поворотная заслонка	500	1600	9000	25000
Шаровой кран	1000	4500	26000	90000

Изменение пропускной способности при перемещении исполнительного органа определяется по расходным характеристикам – это зависимость К_V от перемещения затвора S.

Различают три вида характеристик (рис. 2.24):

1 – линейная, когда К_V пропорционально S; 2 – параболическая; 3 – равнопроцентная, когда приращение К_V пропорционально текущему значению К_V.

Рис. 2.24 Расходные характеристики регулирующих органов

Для регулирования на магистральных нефтепроводах используют регулирующие устройства с равнопроцентной характеристикой. В поворотных заслонках и шаровых кранах такую характеристику во всем диапазоне вращения исполнительного органа получить не удается. Поэтому, например, на нефтепроводах рекомендуется использовать заслонки, max угол открытия которых равен 60 ÷ 75⁰, что приводит к снижению коэффициента К_V. Однако, при этом обеспечиваются регулирующие свойства с самого начала движения заслонки и улучшается качество работы системы регулирования. Для улучшения регулирующих характеристик шаровых кранов созданы краны специальной конструкции.

Диапазон регулирования регулирующего устройства – это соотношение значений К_V в крайних положениях, при которых выдерживается регулировочная характеристика. Этот диапазон составляет по теоретическим расчетам для двухседельных клапанов 1:10, для заслонок 1:30, для шаровых кранов 1:100. На практике эти значения примерно в 3 раза меньше по следующим вышеотмеченным причинам:

1) значительное увеличение требуемого крутящего момента при открытии заслонки на углах >60⁰;

2) использование конусных переходов, изменяющих гидравлику потока и уменьшающих пропускную способность К_V;

3) необходимость обеспечения равнопроцентной характеристики.

Перепад давления на регулирующем устройстве равен разности давлений на входе и выходе устройства. Величина допустимого перепада ∆Р устанавливается из условия бескавитационного течения жидкости в регулирующем устройстве при значительных скоростях потока, т.к. при кавитации происходит сильный износ дроссельных поверхностей и кавитация сопровождается сильным шумом и повышенной вибрацией. Так, по условиям кавитации в корпусе заслонки при прикрытии >60⁰ ∆Р не должен превышать 2 МПа.

В зависимости от величины ∆Р рассчитываются усилие на исполнительный механизм и требуемая мощность привода. Если мощность привода ограничена, то это ограничение будет определять величину ∆Р, т.к. в случае недостаточной мощности при достижении определенного перепада давлений осуществление процесса регулирования становится невозможным.

Для воздействия на процесс регулирующая арматура должна обеспечить определенную скорость изменения пропускной способности. Эта скорость характеризуется временем полного открытия в положение полного закрытия или наоборот. Скорость перемещения исполнительного органа на закрытие выбирается из условия, чтобы при отключении одного агрегата на соседней станции динамическое отклонение в процессе регулирования не превышало 0,1 ÷ 0,15 МПа. На основании опыта эксплуатации установлено, что это обеспечивается при следующих условиях:

Диаметр трубопровода, мм	<800	800-1000	1200
Время закрытия, с	40	15 ÷ 30	8 ÷ 12

При этом время открытия рекомендуется иметь большим, чем на закрытие. Сравнительные характеристики регулирующих устройств приведены для D_У = 500 мм приведены в таблице:

Параметр	Двусхедельный клапан	Поворотная заслонка	Шаровой кран
Условная пропускная способность	4000	10000	50000
Диапазон регулирования	1:10	1:30	1:100
Допускаемый перепад ∆Р, МПа	4	2	6
Скорость перемещения, с	40	12	8
Протечки в закрытом положении Кυ, %	0,05	0,1	-
Масса, кг	3700	900	1400

Для управления регулирующей арматурой и обеспечения требуемых скоростей и перемещений затвора регулирующего органа применяются специальные исполнительные механизмы. Тип привода (пневматический, электрический, гидравлический) зависит от используемой системы приборов и регуляторов.

При наличии взрывозащищенных приборов с электрическим выходом и соответствующих регуляторов применяют электропривод. Преимуществами гидравлических приводов являются возможность создания большого усилия, быстродействие, компактность установки. Однако на нефтепроводах наиболее часто применяют пневматические исполнительные механизмы. Это объясняется их простотой, высокой надежностью, низкой стоимостью, малыми расходами на эксплуатацию, а также пожаро- и взрывобезопасностью.

При выборе регулирующих устройств необходимо учитывать следующие особенности применения регулирования на магистральных нефтепроводах:

1. Регулирование используется не постоянно, а только как средство плавного ограничения давления при одностороннем отклонении его от заданного значения. Следовательно, при отсутствии необходимости в регулировании исполнительное устройство должно находиться в положении максимального открытия и энергетические потери на нем должны быть минимальны.

2. Регулирующие устройства используются как составная часть в комплексе мероприятий по ограничению давлений в магистральных нефтепроводах совместно с устройствами защиты и не предназначены для поддержания давления при любых возмущениях, которые могут возникнуть в нефтепроводах. Следовательно, чтобы не допустить повышение давления до срабатывания защиты, скорость перемещения исполнительного механизма в сторону закрытия должна быть достаточной, чтобы динамическое отклонение не превысило определенного значения.

Выбор количества и условного диаметра регулирующих устройств определяется для рабочего режима трубопровода, при котором исполнительные устройства находятся в полностью открытом положении и потери давления на них не превышают 0,02 МПа. Значения, соответствующие этим данным, используются в формуле

где Q – пропускная способность трубопровода;

n – 1,0 ÷ 1,2 – коэффициент запаса;

∆Р = 0,02 МПа – потери давления;

ρ – плотность жидкости;

– суммарный коэффициент пропускной способности исполнительных устройств.

Следовательно, и, выбрав тип, условный диаметр и пропускную способность К_V исполнительного устройства можно найти их количество n_РУ:

При этом полученное значение округляется до целого в большую сторону.

Выбор регулирующих устройств должен осуществляться с учетом следующих рекомендаций:

1) узел регулирования должен состоять не менее, чем из двух регулирующих устройств;

2) регулирование должно обеспечиваться при отклонении одного из регулирующих устройств;

3) перепад давления при отсутствии регулирования при двух работающих устройствах не должен превышать 0,02 ÷ 0,03 МПа;

4) максимальный перепад принимается равным полному напору одного магистрального насоса при подаче, равной пропускной способности нефтепровода. Для упрощения узла регулирования давления можно выбрать регулирующие устройства с пропускной способностью, равной _.

Тогда на узле будет 2 устройства, одно из которых работающее, а другое резервное.

Отметим, что схема узла регулирования должна обеспечивать равномерное распределение потока и предусматривать прямые участки до и после регулирующих устройств длиной не менее 5 диаметров.