Reduktory ciśnienia gazu

Wstęp

Zadaniem reduktorów ciśnienia jest przetwarzanie wyższych i zmiennych ciśnień wlotowych na niższe i stałe ciśnienia wylotowe. Reduktor ciśnienia dopasowuje przepływ gazu do aktualnego jego poboru przez odbiorcę. Przy jego wzroście zwiększa stopień otwarcia zaworu dławiącego, przy spadku zapotrzebowania na gaz – przymyka przepływ. Zapewnia w ten sposób stabilne ciśnienie po stronie odbiorcy, niezależnie od ciśnienia gazu dopływającego do stacji redukcyjnej.

Typowy reduktor ciśnienia zbudowany jest z korpusu z układem dławiącym, który sterowany jest za pomocą reakcji elastycznej membrany. Oddziaływanie membrany na zawór może być bezpośrednie, lub za pośrednictwem systemu dźwigni. Możemy z tego powodu dzielić zawory redukcyjne na:

  •  bezpośredniego działania, element zamykający połączony jest bezpośrednio z przeponą (membraną) za pomocą trzpienia
  • bezpośredniego działania ze wzmocnieniem prostym, kiedy do wzmocnienia siły wywieranej przez przeponę na zawór dławiący wykorzystuje się mechanizm wykonawczy w postaci układu dźwigni,
  • pośredniego działania ze wzmocnieniem złożonym z wykorzystaniem energii doprowadzanej spoza reduktora (gaz pobierany z przestrzeni wlotowej). Reduktory tego typu mają zwykle jeden lub dwa wzmacniacze pneumatyczne zwane potocznie regulatorami sterującymi lub pilotami.

Rys. Reduktor bezpośredniego działania
z dodatkową przeponą odciążającą
1 – przepona robocza, 2 – sprężyna
obciążająca przeponę, 3 – przepona
odciążająca, 4 – otwór wyrównawczy,
5 – grzybek zaworu, 6 – gniazdo
zaworu (Rys. „Sieci i instalacje gazowe” R. Bąkowski)

Na rys. po lewej pokazano schemat budowy i działania zaworu redukcyjnego bezpośredniego. Poziom ciśnienia za zaworem p2 utrzymywany jest przez membranę roboczą (1). Przy spadku poboru gazu, wzrost ciśnienia oddziaływuje na membranę poprzez rurkę wyrównawczą (4). Nacisk ciśnienia unosi membranę do góry pokonując siłę oporu sprężyny (2) i zawór przymyka przepływ gazu. Wzrost zużycia gazu i związany z tym spadek ciśnienia wywołuje ruch odwrotny membrany i zwiększenie stopnia otwarcia zaworu.

Zawory redukcyjne pracujące na wysokim ciśnieniu wlotowym i średnim wylotowym posiadają zwykle w swojej budowie element pomocniczy, tzw. regulator (pilot) do sterowania głównym zaworem zamykającym.

Rys. (po prawej) Zawór redukcyjny z pilotem sterującym.

Zasada działania

Przy wzroście ciśnienia gazu p2 po stronie wylotowej przepona regulatora sterującego unosi się do góry, pociągając za sobą
zaworek sterujący w górne położenie. Zwiększa się dzięki temu ciśnienie pośrednie p3 oddziałujące na górną część przepony głównej . Przepona przesuwa się do dołu
i przez układ dźwigni zwiększa stopień dławienia gazu aż do osiągnięcia stanu równowagi. Przy spadku ciśnienia gazu p2 po stronie wylotowej reduktora przepona
regulatora sterującego pod działaniem sprężyny przesuwa się do dołu, a wraz z nią zaworek sterujący, co powoduje obniżenie ciśnienia sterującego obciążającego
górną część przepony. Na przeponę działają teraz dwa ciśnienia:

– mniejsze p2 od góry

– większe, wlotowe p1 od dołu

Większe ciśnienie unosi membranę i poprzez system dźwigni zwiększa stopień otwarcia zaworu, aż do wystąpienia stanu równowagi.

Wymagania ZN-G-4120

7.9 Sterowanie ciśnieniem
7.9.1 Postanowienia ogólne

System sterowania ciśnieniem powinien utrzymywać ciśnienie na wyjściu po redukcji w wymaganym zakresie i powinien zapewniać, że ciśnienie to nie przekroczy dopuszczalnego poziomu.

Dla stacji gazowej zależność między maksymalnym ciśnieniem roboczym MOP, górnym poziomem ciśnienia roboczego OP, tymczasowym ciśnieniem roboczym TOP i maksymalnym ciśnieniem przypadkowym MIP podano w tablicy.

Tablica – Zależność pomiędzy OP, TOP i MIP a MOP w całym przedziale ciśnień

Tablica 9 – Zależność pomiędzy OP, TOP i MIP a MOP w całym przedziale ciśnień

MOP ≤ DP
MPa
OP ≤
MPa
TOP ≤
MPa
MIP ≤
MPa
MOP > 4,01,025 MOP1,10 MOP1,15 MOP
1,6 < MOP ≤ 4,01,025 MOP1,10 MOP1,20 MOP
0,5 < MOP ≤ 1,61,050 MOP1,20 MOP1,30 MOP
0,2 < MOP ≤ 0,51,075 MOP1,30 MOP1,40 MOP
0,01 < MOP ≤ 0,21,125 MOP1,50 MOP1,75 MOP
MOP ≤ 0,011,125 MOP1,50 MOP2,50 MOP
UWAGA 1 – Podane wartości współczynników dotyczą górnego poziomu OP, TOP i MIP w zależności od MOP. Dolną wartość współczynników określa użytkownik stacji.  UWAGA 2 – Wartość tych współczynników jest zależna od precyzji działania urządzeń redukcyjnych i zabezpieczających stacji gazowych. W przypadku zastosowania bardziej precyzyjnych urządzeń redukcyjnych i zabezpieczających, wartość tych współczynników może być mniejsza tzn., że w systemie dostawy gazu będą bardziej stabilne ciśnienia.

 7.9.2 Układ redukcji ciśnienia gazu
Układ redukcji ciśnienia gazu powinien utrzymywać wartość ciśnienia w dopuszczalnych dla systemu wyjściowego granicach. Nastawa wartości ciśnienia po redukcji powinna być równa wartości MOPwyj. Nastawiona wartość ze względu na dynamikę systemu może przekraczać MOP w określonych granicach OP. Układ redukcji ciśnienia nie powinien dopuścić, aby ciśnienie wyjściowe przekroczyło wartości podane w drugiej kolumnie tablicy
W układach redukcji ciśnienia należy stosować reduktory ciśnienia zgodne z PN-EN 334:2002 (U) bez zewnętrznego źródła zasilania.

7.9.3 System ciśnieniowego bezpieczeństwa
System ciśnieniowego bezpieczeństwa powinien pracować automatycznie w taki sposób, żeby w razie uszkodzenia układu redukcji ciśnienia nie dopuścić w systemie wyjściowym do przekroczenia dopuszczalnych poziomów ciśnienia, uwzględniając tolerancję nastawy.

W stacjach gazowych należy stosować systemy ciśnieniowego bezpieczeństwa zgodnie z tablicą 10.
Tablica 10 – Wymagania w zakresie systemu ciśnieniowego bezpieczeństwa

Przegląd konstrukcji zaworów redukcyjnych

Na polskim rynku można znaleźć całą gamę reduktorów firm Schlumberger, Tartarini, Pietro Fiorentini, itp.  Jest ich tak dużo, że nie podejmuje sie ich wszystkich omawiać. Spróbuje przybliżyć ogólną budowę i odmiany robocze reduktorów, zasady ich działania i montażu na rurociągu.

Reduktor bezpośredniego działania

Stosowany jest do redukcji ciśnienia gazu w punktach redukcyjnych i stacjach redukcyjnych małej przepustowości, dla zaspokojenia potrzeb odbiorców komunalnych i niewielkich zakładów przemysłowych. Mogą być w wykonaniu jednostopniowym i dwustopniowym, z dodatkowym wyposażeniem w postaci zaworu szybkozamykającego, czy zaworu bezpieczeństwa. Poniżej konstrukcja B/240 firmy Tartarini.

Fot. Reduktor ciśnienia gazu B/240 firmy Tartarini (fot. Emerpol)

Reduktor B/240 może być wykonany z przyłączem gwintowym i kołnierzowym. Może być  też wykorzystany do gazu ziemnego, miejskiego, powietrza, propanu, a także innych gazów, pod warunkiem, że nie zawierają dużego udziału procentowego benzolu.

Zasada działania

Przy pomocy trzpienia (S) i dźwigni (L) ruchy membrany (D) przekazywane są na zawieradło (O), które jest utrzymywane w kontakcie z dźwignią (L) przez sprężynę (M). Zapewnia to wolne od luzu przesunięcia wszystkich części i szybką odpowiedź zawieradła (O) na każdy ruch membrany. Ciśnienie wylotowe, poprzez podłączenie impulsu (I), działa na membranę (D) i wywiera siłę, której przeciwstawia się siła sprężyny (M). Działanie ciśnienia gazu na membranę powoduje zamykanie zawieradła, natomiast przeciwne działanie sprężyny jego otwieranie. Równowaga pomiędzy tymi przeciwstawnymi siłami zapewnia odpowiednie ustawienie zawieradła i zapewnia stałe ciśnienie oraz przepływ na wylocie. Każdorazowo, gdy zmiana przepływu powoduje wzrost lub spadek wymaganego ciśnienia, układ ruchomy reaguje tak aby powstała nowa pozycja równowagi stabilizująca ciśnienie. Na żądanie reduktor może być dostarczony z zaworem bezpieczeństwa (Vs) połączony z membraną (D). Jego regulacja odbywa się za pomocą sprężyny (M1).

Działanie zaworu szybkozamykającego OS/66 – zawór ten natychmiast blokuje przepływ gazu, jeżeli w wyniku awarii ciśnienie za reduktorem osiągnie wartość zadaną dla jego interwencji lub gdy urządzenie to zostanie aktywowane ręcznie.

Zawór ten działa niezależnie od reduktora i na żądanie klienta może być wykonany w różnych wersjach zadziałania, na wzrost ciśnienia, jego spadek lub obu jednocześnie. Ciśnienie wylotowe oddziałowując na membranę (D) przeciwstawia się naciskowi sprężyny maksymalnego ciśnienia (M2) pokonując jednocześnie naprężenie sprężyny minimalnego ciśnienia (M3). W tych warunkach ruchoma część (E) znajduję sie w równowadze, a dźwignia (L) ustawiona jest w pozycji osiowej z wyprofilowaną częścią dźwigni (L1). Kule (S) utrzymywane są w swoich gniazdach przez tuleję (B). W efekcie zawór (O) utrzymywany jest w położeniu otwartym. Jakakolwiek zmiana ciśnienia wylotowego ponad ustawione wartości przełamuje istniejącą równowagę i w przypadku wzrostu ciśnienia wylotowego jego nacisk pokonuje naprężenie sprężyny (M1), w przypadku spadku ciśnienia wylotowego nacisk sprężyny (M3) pokonuje jego wartość. W obu przypadkach powoduje to ruch części ruchomej (E), która uruchamia dźwignię (L), co powoduje, że dźwignie (L) i (L1) nie znajdują się w osi. Dźwignia (L1) zwalnia kule (S) umożliwiając zawieradłu (O) utrzymać się, pod naciskiem sprężyny (M4), w pozycji zamkniętej.

Reduktor pośredniego działania z zaworem pilotowym

REFLUX 819

Rys. Reduktor o przepływie osiowym  Reflux 819 firmy Fiorentini.

Reduktor ciśnienia REFLUX 819 jest reduktorem do średnich i wysokich wartości ciśnienia. Może być stosowany w stacjach redukcyjnych I stopnia.  REFLUX 819 jest reduktorem normalnie zamkniętym i dlatego zamyka się w przypadku:

– przerwania membrany głównej;
– przerwania membrany zaworu pilotowego;
– braku zasilania obwodu pilotowego.

Zasada działania (reduktor z pilotem) – W przypadku braku ciśnienia zawieradło 5 utrzymywane jest w położeniu zamkniętym przez sprężynę 54 i spoczywa na uszczelce wzmocnionej 7 (rys. 1). Ciśnienie przed reduktorem, nawet jeżeli jest zmienne, nie zmienia tego położenia, ponieważ zawieradło jest całkowicie zrównoważone i dlatego podlega działaniu równych ciśnień, nawet jeżeli przekroje są różne.

Trzpień 6 również znajduje się między dwoma równymi ciśnieniami, ponieważ ciśnienie przed reduktorem jest również przenoszone do komory C przez otwór A.

Zawieradło sterowane jest przez membranę 50, na którą działają następujące siły:

– w dół: nacisk sprężyny 54, parcie wynikające z ciśnienia regulowanego Pa w komorze D oraz ciężar zespołu ruchomego;

– w górę: parcie wynikające z ciśnienia uruchamiającego Pm w komorze E, przekazywane przez zawór pilotowy.

Ciśnienie uruchamiające uzyskuje się poprzez pobór z reduktora gazu o ciśnieniu przed reduktorem. Gaz jest filtrowany na filtrze 13 i poddawany początkowemu rozprężaniu w reduktorze wstępnym R14/A (rys. 2).

Ciśnienie Pep przechodzi następnie z komory G przez otwór F w zaworze pilotowym 204/A, który reguluje je za pomocą zawieradła 17 aż do uzyskania  wartości wlotowej Pm w głowicy reduktora. Regulację Pm uzyskuje się przez

porównanie siły wywieranej przez sprężynę nastawczą 22 zaworu pilotowego i oddziaływania ciśnienia regulowanego Pa, działającego w komorze B na membranę 16.

Wartość zadaną można zmienić, obracając śrubę regulacyjną 10; obracanie w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara zwiększa Pm, a więc również ciśnienie regulowane Pa; obracanie pierścienia w kierunku przeciwnym powoduje zjawisko odwrotne. Jeżeli na przykład ciśnienie za reduktorem Pa spadnie podczas działania (z

powodu wzrostu przepływu lub spadku ciśnienia przed reduktorem) wystąpi brak równowagi w zespole ruchomym 15 zaworu pilotowego, który zostanie przemieszczony w celu zwiększenia otwarcia zawieradła 17. W wyniku tego wartość ciśnienia  uruchamiającego Pm wzrośnie i poprzez oddziaływanie w komorze E pod membraną 50

(rys. 1) spowoduje ruch zawieradła 5 w górę, a więc zwiększenie otwarcia reduktora do momentu, gdy przywrócona zostanie wartość zadana ciśnienia regulowanego.

Rys. Zawór pilotowy 204/A
 

I na odwrót, jeżeli ciśnienie regulowane zacznie rosnąć, siła wywierana przez nie na membranę 16 zaworu pilotowego przesunie zespół ruchomy, przemieszczając zawieradło 17 w kierunku położenia zamkniętego. Ciśnienie Pm spada wtedy w wyniku przepływu między komorami E i D przez otwór 21, a siła wywierana przez sprężynę 54 powoduje przesunięcie w dół zawieradła 5 w celu przewrócenia wartości zadanej ciśnienia regulowanego. W normalnych warunkach roboczych zawieradło 17 zaworu pilotowego ustawia się w taki sposób, by wartość ciśnienia uruchamiającego Pm była taka, aby utrzymywać wartość ciśnienia za reduktorem Pa w granicach wartości zadanej.

Reduktor gazu typu FL (Tartarini)

Fot. Reduktor ciśnienia FL w konfiguracji podstawowej.

Powyższa konstrukcja  ma zwartą modułowa budowę i posłuży nam do wyjaśnienia pojęcia:

Reduktor + monitor

Reduktor + zawór szybkozamykający

Konstrukcje schematyczne tych rozwiązań pokazałem już w tabeli na początku artykułu. Jak jednak działają one w praktyce?

Monitor,  to dodatkowy reduktor awaryjny, który podejmuje pracę zamiast reduktora roboczego w przypadku, gdy ten z jakiejkolwiek przyczyny dopuści, by ciśnienie za reduktorem wzrosło do wartości zadanej dla interwencji monitora. Monitory mogą być konstrukcją wbudowaną w reduktor główny lub dołączane do nich w sposób modułowy (fot. u dołu). W pierwszym przypadku reduktor główny i monitor wbudowane są w ten sam korpus i korzystają z tego samego napędu. W drugim monitor stanowi osobny reduktor, montowany przez reduktorem głównym.

Zasada działania pokazana jest na rys. poniżej.

zasada działania reduktora
Zespół membrany (połączony na stałe z zawieradłem) dzieli siłownik reduktora na dwie komory. Do jednej z komór doprowadzone jest ciśnienie regulowane (Pd), a do drugiej – ciśnienie napędowe (Pm) wytwarzane przez pilota zależnie od ciśnienia po stronie wylotowej. Na skutek braku ciśnienia sprężyna reduktora wywiera nacisk na zespół membrany i powoduje zamknięcie zawieradła. Zawieradło zajmuje położenie otwarte, gdy siła wytworzona przez ciśnienie napędowe działające na zespół membrany staje się większa od siły wytworzonej przez ciśnienie sterowane po stronie wylotowej i zsumowanej z naciskiem sprężyny reduktora. Zawieradło pozostaje w bezruchu, gdy te dwie siły równoważą się wzajemnie i w tej sytuacji ciśnienie po stronie wylotowej jest równe wartości nastawy systemu. Każda zmiana zapotrzebowania na wielkość strumienia powoduje zmianę ciśnienia regulowanego na wylocie i reduktor sterowany pilotem otwiera się lub zamyka, aby zapewnić właściwą dostawę gazu, a jednocześnie zachować stałą wartość ciśnienia wylotowego.

zasada działania monitora
Monitor lub reduktor przeciwawaryjny stosuje się, jako urządzenie bezpieczeństwa w systemach redukcji ciśnienia gazu. Zadaniem monitora jest ochrona układu przed możliwym nadmiernym ciśnieniem, przy jednoczesnym utrzymaniu ciągu redukcyjnego w ruchu. Monitor kontroluje ciśnienie wylotowe w tym samym miejscu, co reduktor i jest ustawiony nieco wyżej niż reduktor. Przy normalnej pracy monitor jest całkowicie otwarty, ponieważ wykrywa ciśnienie niższe niż wartość nastawy monitora. Jeśli w wyniku dowolnego uszkodzenia reduktora ciśnienie wylotowe wzrasta i osiąga wartość graniczną, monitor wchodzi do pracy i dostosowuje ciśnienie do swojej własnej nastawy.

Reduktor + zawór szybkozamykający

zasada działania zaworu szybkozamykającego
Zawór szybkozamykający posiada własne zawieradło oraz gniazdo i pełni swoje funkcje niezależne od reduktora/monitora. Zawieradło może być otwarte tylko ręcznie poprzez obrócenie trzpienia uzbrajania w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Aby zawieradło pozostało otwarte stosowany jest pilot-siłownik serii OS/80X lub serii OS/80X-PN. Oba urządzenia są zaprojektowane do obsługi ciśnienia maksymalnego i minimalnego, tylko maksymalnego lub tylko minimalnego. Gdy ciśnienie układu po stronie wylotowej ma normalną wartość roboczą, pilot-siłownik pozostaje w położeniu uzbrojonym i blokuje obrót trzpienia uzbrajania zaworu szybko zamykającego, utrzymując zawieradło w położeniu otwartym. W przypadku, gdy ciśnienie wylotowe ulega zmianie, przekraczając nastawione wartości graniczne, pilot-siłownik zwalnia trzpień uzbrajania i zawieradło zostaje zamknięte pod wpływem działania sprężyny.