Струйные приводы «КИТЭМА»

Струйные приводы «КИТЭМА» – экологически чистые системы управления шаровыми кранами газораспределительных станций и магистральных газопроводов.

В.В. Саяпин, д.т.н., Е.А. Урываева, генеральный директор ООО «КИТЭМА»

Для управления шаровыми кранами, установленными на газораспределительных станциях и магистральных газопроводах, применяются пневматические и пневмогидравлические приводы с поршневыми и мембранными двигателями, а также приводы со струйным двигателем. В последнее время одной из важнейших проблем этих приводных устройств стала проблема экологическая – загрязнение окружающей среды (атмосферы) отработанным в приводах природным газом. Решением этой проблемы для пневматических (газовых) приводов является устранение несанкционированных утечек рабочего тела (газа) и обеспечение организованного отвода этого газа (с последующей его утилизацией).

Пневмогидравлические приводы, работающие на природном газе, наносят серьезный ущерб окружающей среде: в первую очередь это отработанный газ, выбрасываемый в атмосферу, и демпферная жидкость, которая склонна к утечкам и требует периодической замены и утилизации. Наиболее радикальным решением этой проблемы является перевод приводов на работу на сжатом воздухе. Но для пневмогидравлических поршневых приводов это означает полное изменение конструкции, увеличение размеров и массы.

Недостатки пневмогидравлических приводов:

1. Усложнение и удорожание эксплуатации из-за необходимости постоянного контроля наличия и качества специального масла, используемого в качестве демпферной жидкости, в связи с изменением его свойств, особенно при низких температурах окружающей среды;
2. Удары поворотного механизма об упоры и разрушение силовых узлов и деталей привода из-за потери масла вследствие негерметичности гидросистемы;
3. Возможность произвольного поворота выходного вала привода под действием потока газа при остановке затвора в промежуточном положении и отключении системы управления (в случае частичной потери и отсутствии жидкости в гидроцилиндрах), что приводит к возникновению аварийной ситуации;
4. Возможность попадания в пневмо- и гидроцилиндры влаги, при замерзании которой нарушается герметичность уплотнений и работоспособность привода в целом.

Разработан новый тип пневматического привода – струйный привод, в котором в качестве двигателя применена реактивная газовая турбина специальной конструкции. Струйные приводы серии «КИТЭМА» успешно эксплуатируются на объектах ОАО «Газпром».

Привод обладает рядом преимуществ по сравнению с пневмогидравлическими приводами:

1. Исключение второго рабочего агента – специальной демпферной жидкости, что исключает затраты на ее закупку, транспортировку, хранение и утилизацию после использования, сокращает затраты на обслуживание привода;
2. Отсутствие подвижных трущихся уплотнений, что значительно повышает надежность и долговечность;
3. Исключение произвольного поворота выходного вала под действием потока газа;
4. Плавный, без толчков, ход во всем диапазоне нагрузок и давлений рабочего газа;
5. Ускоренный реверс выходного вала привода из любого конечного или промежуточного положения;
6. Возможность создания повышенного импульсного момента, обеспечивающего страгивание пробки шарового крана при ее «прикипании» или примораживании;
7. Имеется возможность изменения момента на валу привода в зависимости от реальных условий эксплуатации без ухудшения эксплуатационных и надежностных характеристик;
8. Высокая чувствительность узла управления струйного привода (УУСП), что значительно повышает точность регулировки;                                                                        9. Постоянство времени перестановки шарового крана во всем диапазоне давлений импульсного газа;
10. Небольшие, по сравнению с пневмогидравлическими, массо-габаритные размеры струйных приводов.

1112

 

14

Струйные приводы могут работать и на природном газе с давлением 16,0 МПа и от воздушной сети низкого давления 0, 6-1,0 МПа. Это обстоятельство позволяет достаточно просто обеспечить питание привода сжатым воздухом с относительно низким давлением.

Пневматическая схема питания сжатым воздухом, применимая для одного или нескольких струйных приводов приведена на рис. 1. Данная схема содержит компрессор 1 с системой управления 2, батарею баллонов (ресивер) 3, трубопровод 4, регулятор давления сжатого воздуха 5, струйные приводы 6, 7, содержащие в себе электропневмоклапаны (ЭПК) 8, 9, струйный двигатель 10, который через механическую передачу 11 соединен со шпинделем шарового крана 12, 14. Трубопровод может быть снабжен обратным клапаном 15.
Пневматическая схема питания сжатым воздухом работает следующим образом. При падении давления в ресивере 3 ниже заданного система управления компрессора 2 включает компрессор 1, который работает до тех пор, пока давление сжатого воздуха достигнет заданного значения, после этого система 2 отключает компрессор.

При необходимости повернуть затвор шарового крана подается электрический сигнал к электропневматическому клапану (ЭПК), например, 8 в приводе 6. Сжатый воздух с давлением Р2 подается в двигатель 10 привода 6, который через механическую передачу 11 привода 6 поворачивает затвор шарового крана 12. При необходимости поворота затвора у нескольких шаровых кранов одновременно, электрические сигналы подаются к соответствующим ЭПК струйных приводов.

13

Запас сжатого воздуха в ресивере должен быть достаточным для одновременного поворота затворов n шаровых кранов. Число n определяется из условий работы данной станции. Очевидно, что чем больше начальное давление Р сжатого воздуха в ресивере, тем меньше требуемый объем ресивера. Минимальное давление в ресивере не должно быть меньше рабочего давления Р2 в двигателе привода. Для различных типоразмеров струйных приводов, при установке их на шаровых кранах разных диаметров, величина давления Р2 лежит в интервале от 0,6 до 1,2 МПа. При начальном давлении в ресивере Р1max = 20 МПа и минимальном давлении Р1min = Р2max =1,2 МПа, остающаяся масса газа составляет: Р2max / Р1max = 1,2/20,0 = 0,06 т.е. 6%. Нужно отметить, что при использовании в такой же системе обычных поршневых пневмогидравлических приводов с рабочим давлением 6,08,0 МПа, масса неиспользованного газа в ресивере составила бы 8/20 = 0,4 т.е. 40%.

В настоящее время отечественными и зарубежными производителями предлагаются малогабаритные компрессоры высокого давления с автоматической системой включения и выключения. Они обеспечивают необходимое давление с производительностью от 100 до 500 л/мин электрическим или бензиновым (на выбор) приводным двигателем массой от 40 до 300 кг, габаритами от 560х420х400 до 1330х890х850 мм. Компрессор подсоединяется к баллонам сжатого воздуха емкостью от 20 до 500 л на давление до 40,0 МПа.

Например: на поворот (перестановку) затвора шарового крана DN 300 струйный привод расходует Q=600л. Возьмем компрессор с минимальной производительностью G1 = 100 л/мин. Для восполнения сжатого воздуха израсходованного на одну перестановку затвора шарового крана потребуется время, равное, исходя из условий работы станции: t1 = Qn /G1= (600 л)/(100 л/мин)= 6 мин.

Отсюда нетрудно определить оптимальные параметры компрессора и ресивера. Конструкция струйного привода содержит регулятор давления рабочего газа, и поэтому установка регулятора давления 5 и обратного клапана 15 в схеме рис. 1 не обязательна, однако она желательна, так как при этом весь трубопровод от ресивера до приводов будет находиться под относительно невысоким давлением, что повышает безопасность и облегчает эксплуатацию системы. Конструкция самого привода в этом случае может быть упрощена изъятием из него регулятора давления газа.

Из выше сказанного, представляется целесообразным использовать струйные приводы с питанием от ресивера со сменными баллонами на шаровых кранах магистральных газопроводов, а также на шаровых кранах и задвижках нефтепроводов. Так, один 40-литровый баллон с начальным давлением в 200 бар, с учетом остаточного воздуха и с учетом потерь, может обеспечить до 8 перестановок затвора шарового крана.

В настоящее время в разработке находятся струйные приводы для шаровых кранов DN 700 и DN 1000, способные работать на сжатом воздухе давлением 0,6-0,4 атм.

Понравилась статья? Нажмите кнопку Вашей соц. сети

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Рубрика: Uncategorized | Добавить комментарий

Advantages of low-pressure Jet Engine Actuators

1
In the past decade a new type of actuator has been developed, which use the principle of the reactive gas turbine – a jet engine — as the driving force. The actuator has therefore been named the jet engine actuator. This article discusses the advantages of the jet engine actuator (supplied by low pressure compressed air at 0.4MPa) in comparison with the piston pneumatic-hydraulic actuator.

By Elena Uryvaeva, General Director KITEMA Ltd., and Vadim Sayapin, Doctor of Technical Sciences, professor of Moscow Aviation Institute, Moscow, Russia

2The maximum starting torque M n on the shaft of the piston pneumatic-hydraulic actuator (Figure 1) is specified as: M n = P·S n ·L (1) where P – gas pressure in the pneumatic cylinder cavity; S n – piston area; L– lever of actuator’s power transmission. The maximum starting torque of the jet engine actuator (Figure 2) is specified as: M nc =K·G c ·n·v c ·q (2) where K – constant coefficient; G c = P o ·μ·A kc gas discharge through the drive nozzle; P o – gas pressure on inlet of the nozzle; μ – discharge coefficient of the nozzle; A kc – nozzle critical crosssection area; n – number of the nozzles in the rotor of the jet drive actuator (here n = 2); v c — gas flow velocity from the nozzle;      q — gear ratio of actuator’s power transmission.

In Figure 2 the distance between the axis of rotation of the jet engine and the nozzle axis is designated as l. It can be seen from the description above that, in order to maintain the initial starting torque of the piston actuator, it is necessary to increase the piston area S n or the level L when the gas pressure is decreasing at the actuator inlet. In consequence, that would necessitate a complete design change and an increase in the overall dimensions and weight of the actuator.A pressure of 8 -16 MPa, compressors and high pressure receivers are need for piston actuators, working on compressed air (without design changes).

3

4

Working pressure
Jet drive actuators have a working pressure of 0.4 – 1.6 MPa (on the drive inlet), which allows the actuator to be supplied with compressed air at relatively low pressures. The gas discharge through the nozzle Gc and its flow velocity from the nozzle Vc depend on gas physical parameters with the invariable nozzle parameters and for supercritical mode of gas flow from the nozzle are calculated by the following formulas:

6

where: k – adiabatic exponent of the operator body; R – gas constant; T o — gas temperature on the nozzle inlet; P c — gas pressure on the nozzle cross-section (we assume that P c = P amM — environment pressure).
From formulas (1) and (2) we get:

7

The adiabatic exponent for natural gas is k g =1.3, for air k a =1.4. That means that when the jet engine goes over to compressed air operation the ratio of moving force is equal to the ratio of numerical value of square roots in the right part of equation (3), calculated for compressed air and natural gas.

The pressure ratio P c /P o=0.15 when P o= 0.66 MPa (real pressure in a pneumatic system).This is why the ratio of actuator torque for air and natural gas is M a /M g = 1.019, thus there is no significant change in the actuator torque. When natural gas is changed to compressed air, the jet engine actuator torque practically remains constant, which is confirmed also by long standing working experience.That is why the actuator needs no adjustment when natural gas is changed to compressed air in the same range of the working pressure (0.4 1.5 MPa).

5

Gas pressure calculations
From formula (1) it can be seen that it is necessary to increase the piston area or the length of the lever or both, so that products S L will increase 20 times to retain the torque value while decreasing the inlet pressure of the working gas from 8.0 to 0.4 MPa.This is practically the same as creating a new actuator design.

At the same time the working pressure of the jet engine actuator is the inlet pressure of the drive P ax. P ax = 0.4 1.6 MPa (6) This pressure, which is independent of the pressure in the gas pipeline, is supported by the pressure regulator built-in into each actuator’s electro-pneumatic control device. The value P ax is determined individually for each type and size of ball valve, depending on the time required to cycle the valve. From formulas (2), (3) and (4) is evident that to ensure ensuring the same nozzle force it is necessary to increase the critical cross-section of the nozzle by a factor of 2.4 – 3, that is to increase its diameter by a factor of roughly 1.7, keeping the same configuration of the nozzle.

 Simplified design
All jet engine actuators are equipped with changeable nozzles, which allow them to be used in various conditions. The use of spare nozzles was included in the design concept of the actuator from the very beginning. The aim was to ensure the actuators could deliver additional torque or be used in further applications when utilized in typical pneumatic systems. It is important to note one more important advantage from using compressed air at a constant pressure of P ax =1.0 MPa as the power source with a jet engine actuator. Namely that a gas pressure regulator is not required in the electro-pneumatic control device of the actuator. Its role is effectively met by a serial electro-pneumatic valve, which greatly simplifies the actuator’s design and reduces.

About the Authors

8

Понравилась статья? Нажмите кнопку Вашей соц. сети

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Рубрика: Uncategorized | Добавить комментарий