طراحي رگولاتور (تنظيم كننده فشارگاز)

[faridbensaeed]

شير تنظيم فشارRegulator)

طبق SPEC-SR100 شركت ملي گاز ايران

مهمترين بخش ايستگاه هاي تقليل فشار بخش رگولاتور يا تنظيم كننده فشار جريان گاز مي باشد. گاز بعد از عمل فيلتراسيون واردبخش كاهش فشار و يا تنظيم فشار مي گردد كه در آن هدف ، كاهش فشار موجود در شبكه به فشار مورد نياز مصرف كننده مي باشد . لازم است در اينجا در مورد اصول تئوريك تنظيم و يا تقليل فشار اشاره مختصري انجام پذيرد . ( مشخصات شركت ملي گاز ايران Spec-SR100 مي باشد )

هدف از تنظيم اتوماتيك فشار ( تنظيم و كاهش فشار به مقدار معين ) ثابت نگاه داشتن فشار گاز مورد نياز مصر ف كننده مي باشد ودر حقيقت در سيستم تنظيم فشار دستگاه كنترل هر لحظه فشار پايين دست را اندازه گيري نموده و با فشار مورد دلخواه (تنظيم شده ) مقايسه مي نمايد و نهايتا" با اعمال مكانيزم هاي خاص خود ، فشار خروجي را در حد مقدار مورددلخواه ثابت نگاه مي دارد بنابراين مهمترين وظيفه آن ، ثابت نگاه داشتن فشار در پايين دست خود در حالتي كه جريان و فشار در بالا دست تغيير نمايد .

به منظور انجام اين هدف سيستم كنترل بايد قادر باشد چهارموضوع را انجام دهد .
1- اندازه گيري فشار خروجي ويا خروجي Out put سيستم
2- مقايسه اين خروجي با مقدار مورد دلخواه و فشار ورودي
3- تحليل ومقايسه فشار خروجي و فشار تنظيم شده
4- نهايتا" صدور فرمان مورد نياز جهت تنظيم ساختار كنترل

بنابراين يكي از اجزاء اصلي سيستم كنترل ، خط اتصال نتيجه سيستم كنترل مي باشد كه اصطلاحا" به آن خط برگشت (feed back) گفته مي شود . كه در مورد رگولاتورهاي گاز اين انتقال توسط لوله Senseing line انجام مي پذيرد.

رگولاتورهاي مورد استفاده در واحدهاي تقليل فشار گاز برحسب نوع المان هاي به كار برده شده به دو دسته تقسيم مي گردند.
· رگولاتورهاي با المان هاي لاستيكي Flexsible Element regulator
· رگولاتورهاي با المان هاي فلزي Ridgid Element regulator


رگولاتورهاي با المان قابل انعطاف (لاستيكي):
معمول ترين رگولاتورهايي كه امروزه در صنعت گاز و به ويژه در ايستگاه هاي تقليل فشار به كار گرفته مي شود از نوع ديافراگمي مي باشد كه اولين بار در سال 1950 طراحي و به بازار عرضه گرديد. به اين نوع رگولاتورها Expansible Tube گفته مي شود و علت اين نامگذاري نيز ساختار آن مي باشد كه در آن يك پوشش لاستيكي به روي يك محفظه فلزي شياردار قرار مي گيرد . در حقيقت اين پوشش لاستيكي موجب جداشدن فضاي ورودي و خروجي شير مي گردد . و اين غشاء يا پوشش لاستيكي در اثر عبور جريان منبسط مي گردد.

اين نوع رگولاتور داراي مزاياي زيادي مي باشد كه موجب كاربرد وسيع آن در ايستگاه هاي تقليل فشار گرديده است .
· ساختار ساده آن كه در آن فقط يك المان متحرك وجود دارد.
· عملكرد آرام و بطئ آن در مقايسه با انواع شيرهاي كف فلزي (Globe Type Valve – Orifice Type)
· سيستم كنترل آن به صورت Pilot بوده كه موجب افزايش دقت عمل آن مي گردد.
· بالا بودن (100:1) Rangability
· وسيع بودن دامنه ساخت آن از 1 اينچ تا 12 اينچ (ANSI cl.150-600)
· ارزان بودن
· قابليت كاربري آن در شيرهاي تقليل فشار (Pressure Reducing Valve:P.R.V) و شيرهاي اطمينان (Reliev or B.P.V. : Back Pressure Valve)
· در سال 1970 يك كمپاني آمريكايي نوع سبك تر و كوچكتر آن تحت عنوان Axial Regulating Valve به بازار عرضه نمود ، كه امروزه بسيار رايج است و ما نيز در اغلب ايستگاه هاي گاز كشور آن را مورد استفاده قرار مي دهيم.
اين نوع شيرها عليرغم مزاياي زياد آن معايبي هم دارد كه از جمله مي توان :
· حداقل اختلاف فشار لازم جهت عملكرد صحيح شير، با تغيير ضخامت وتغيير خاصيت الاستيسيته لاستيك درون شير، تغيير مي كند.
· اندازه و ظرفيت شير با وضعيت لاستيك درون شير تغيير مي كند.
· كش آمدن لاستيك درون شير گاهي موجب بسته شدن (shut off) شير مي گردد.
· تعميرات شير مشكل بوده و براي تعميرات ، لازم است شير از جاي خود باز شود و خط جريان گاز بسته شود .
· بعضي از مدل هاي آن استاندارد ANSI را پوشش نمي دهد بنابراين لازم است اصلاحاتي در لوله كشي مربوطه انجام پذيرد.

بعدها شيرهايي كه المان تنظيم كننده فشار به صورت ديافراگم لاستيكي مسلح ( Non Stretching Fabric Rainforced Rubber)بود طراحي گرديد.و مدل طراحي به نحوي است كه به المان هاي داخل شير از بالا امكان دسترسي وجود دارد . بنابراين در هنگام تعميرات رگولاتور نياز به جدا شد از مسير جريان گاز ندارد و از مزاياي زير نيز برخوردار است :

1- تعميرات ساده تر به خاطر اينكه عنصر قابل تعويض در بالاي شير اصلي قراردارد و نياز به بازكردن شير از خط اصلي نمي باشد.
2- حداقل افت فشار جهت بازكردن كامل مجراي شير ثابت مي باشد به دليل اينكه عنصر قابل انعطاف آن در اثر باز شدن شيرافزايش طول نمي دهد (كش نمي آيد)
3- عكس العمل سريع شير درمقابل تغييرات فشار به دليل به كار بردن شبكه بافته شده در عنصر ارتجاعي (ديافراگم)
4- يك ديافراگم براي كليه افت فشارها كافي مي باشد.
اين نوع رگولاتور مورد توجه كليه سازندگان قرار گرفت .

اصول كاركرد:
اصول كاري كليه شيرهاي تنظيم فشار بر مبناي عملكرد واحد Flexible آن ميباشد . در اين شيرهاي يك پيلوت جهت كاهش فشار ديافراگم و نيز يك آمپليفاير جهت افزايش و يا كاهش فشار در واحدكنترل به كار گرفته شده است .

بنابراين واحد كنترل داراي دو تغذيه كننده است :
· محدود كننده جريان ثابت (Fixed Orifice) Restrictor
· پايلوت كنترل(Fixed Orifice) Control Pilot
كه به صورت سري در مداركنترل قرار مي گيرد.

چنانچه ديده مي شود يك محدود كننده جريان (Restrictor) كه داراي سطح مقطع كوچكتري مي باشد در ابتداي مسير قرار داشته و سپس مجراي (Orifice) پيلوت كنترل قرار دارد.

در حالتي كه شير به صورت رگولاتور تقليل فشار( PRV ) عمل مي كند پيلوت از طريق يك Sensing line فشار پايين دست را احساس مي نمايد . در حالتي كه فشار پايين دست افت نمايد پايلوت مجراي خود را باز نموده و فشار در محفظه كنترل كننده كاهش يافته و نتيجتا" فشار پشت ديافراگم مجراي اصلي شير كم شده و نهايتا" گاز از فشار بالا دست به فشار پايين دست جريان پيدا مي كند تا زماني كه فشار پاپين دست به فشار مطلوب برسد.

در حالتي كه از شير به عنوان شير اطمينان (BACK Pressure Valve)BPV استفاده مي شود Sensing line به بالا دست شير متصل مي شود و عملكرد پيلوت دقيقا عكس حالت شير فشار شكن مي گردد. در اين حالت افزايش فشار در بالا دست به پايلوت انتقال يافته و موجب مي گردد كه مجراي پايلوت بيشتر باز شده و فشار پشت ديافراگم مجراي اصلي شير كم شودونتيجتا" مقداري از گاز از شير خارج شود.

نكته اي كه در كنترل در اين رگولاتورها اهميت دارد دبي گاز در محدود كننده جريان مي باشد . يعني با تنظيم جريان در آن ميتوان ميزان عكس العمل شير را در مقابل تغييرات فشار در هر دو حالت (PRV,BPV) را تنظيم نمود . هر قدر جريان گاز در محدود كننده جريان (Restrictor) كم تر باشد حساسيت دستگاه بالاتر رفته و نتيجه ي عمل ، كم و زياد كردن جريان اصلي به آهستگي انجام مي پذيرد و هر قدر مقدار جريان در Restrictor بيشتر باشد موجب افزايش عكس العمل شير در مقابل تغييرات فشار مي گردد (پايداري بيشتر جريان) .

Relief & Monitor Regulation Application :
روش استفاده از اين رگولاتور به دو صورت بسيار معمول در ايستگاه هاي گاز به منظور تقليل فشار استفاده مي گردد:
الف- به عنوان Relief:
رگولاتورهايي كه مجهز به المان ارتجاعي (الاستيكي)‌مي باشند مي توانند عملكرد بسيار دقيق و خوبي در حالت استفاده به صورت Relieve Valve داشته باشند و دقيقا" مقداري از گاز را از سيستم خارج كنند كه موجب تنظيم فشار در مجراي گاز مي گردند.( نه بيش و نه كم)

ب- به عنوان Monitor Regulation :
يكي از روش هاي بسيار معمول در حفاظت ايستگاه از افزايش فشار (Over Pressure) روش تنظيم مانيتورينگ مي باشد كه شامل دو روش زير مي باشد :
· Stand by Monitor
· Working Monitor

1-ب- stand by monitor reulating station
در اين حالت مطابق شكل ذيل دو عدد رگولاتور به صورت سري در مسير جريان گاز قرار داده مي شود رگولاتور اول به عنوان رگولاتور عمل كننده و رگولاتور دوم به عنوان رگولاتور رزرو در نظر گرفته مي شود و يا بالعكس.

در رگولاتور عمل كننده ، فشار پايين دست ثابت نگه داشته مي شود و رگولاتور دوم يا رگولاتور رزرو stand by معمولا" در حالت باز مي باشد و به منظور كنترل فشار (كمي بيشتر از رگولاتور اول ) در حالتي كه رگولاتور اول ازكار افتاده باشد عمل مي نمايد. توصيه مي شود رگولاتور اول به عنوان رگولاتور در سرويس worker استفاده شود.


2-ب- working monitor reulating station :
دراين سيستم هر دو رگولاتور در حال كار مي باشند (مطابق شكل زير) و هدف ، كاهش فشار در دو مرحله مي باشد مانند ايستگاههايي كه فشار را از 1000 psi به 250psi و نهايتا‌ به 60psi تقليل مي دهند.

رگولاتور اول مجهز به دو پايلوت مي باشد ، پايلوت اول كنترل فشار را بين رگولاتور اول و دوم عهده دار مي باشند وپايلوت دوم فشار پايين دست رگولاتور دوم را تنظيم مي نمايد و اگر رگولاتور دوم كار نكند پايلوت دوم بر پايلوت اول غلبه كرده و رگولاتور اول به تنهايي فشار كل خط راتنظيم و در حقيقت عهده دارتنظيم فشار دركل مسير مي باشد . و در حالتي كه رگولاتور اول كار نكند رگولاتور دوم عهده دار تنظيم فشار كل خواهد بود .مزاياي اين روش را مي توان چنين بيان كرد :
1- عملكرد آرام مطمئن سيستم به دليل اينكه وظيفه تقليل فشار به عهده دو رگولاتور خواهد بود .
2- اعمال فشار كار كمتر بر روي المان نوسان كننده در داخل رگولاتور كه موجب افزايش قابليت آن در كاهش فشار مي باشد.
3- تنها اختلاف آن به لحاظ هزينه سرمايه گذاري در افزايش يك پايلوت مي باشد كه بر روي رگولاتور اول نصب خواهد شد . پيشنهاد مي گردد يك relief valve طبق استاندارد IGS – IN- 302 از نوع ساده و حساس در انتهاي سيستم تنظيم فشار قرار داده شود تا بتواند از افزايش فشار در حالتي كه به هر دليلي (ورود ذرات ريز به داخل سيستم مانيتورينگ و پايلوت ها كه موجب اختلال درعملكرد رگولاتور مي گردد) كه عمل رگولاتورهارا دچار اختلال ميكند جلوگيري نمايد.
محاسبات رگولاتور:
مهم ترين بخش طراحي ايستگاه تعيين اندازه ومحاسبات شير رگولاتور فشار گاز مي باشد. تعيين اندازه ي صحيح رگولاتور موجب:
· كاهش هزينه تعميرات
· كاهش مشكلات تيم بهره برداري
· كاهش مشكلات مصرف كننده مي گردد.
دو معادله مهم در محاسبه اندازه شيرهاي رگولاتور گاز مورد استفاده قرار مي گيرد:
1- معادله (UGSE): Universal gas sizing Eguation
2- معادله (ISA): ISA Sizing Eguation
معادله اول بيشتر در صنايع گاز به كار برده مي شود و عبارت است از :

در اين فرمول :
Q= جريان گاز در شرايط استاندارد(SCFH)
G= دانسيته نسبي گاز G=0.69
Pi= فشار ورودي به رگولاتور بر حسب PSIA
P2= فشار خروجي از رگولاتور بر حسب PSIA
C1 = ضريب بازاريابي شير (valve Recovery coefficient) C1=Cg/Cv
Cg = ضريب تعيين اندازه شير كه از طرف سازندگان شير داده مي شود .
Cv = ضريب تعيين اندازه شير درحالت عبور مايع (Liquid sizing coefficient)
T= درجه حرارت گاز بر حسب رانكين (460+F)
بنابراين جهت محاسبه اندازه شير لازم است معادله را براي Cg به دست مي آوريم.

سازندگان شير طي جدولي اندازه رگولاتورها را برحسب اينچ در مقابل مقدار Cg بيان مي نمايند بنابراين با به دست آوردن مقدار Cg مي توان اندازه شير را به دست آورد.

Approximate Valve SIZE (Inch )

Nomminal Cg

1

500

2

2000

3

3000

4

6000

6

12000

8

20000

10

30000

12

40000

براي به دست آوردن اندازه صحيح شير رگولاتور بايد درمعادله به جاي P1 فشار حداقل ممكن را قرار داد وبراي به دست آوردن ماكزيمم دبي خروجي از رگولاتور بايد به جاي P1 ماكزيمم فشار ممكن را قبل از رگولاتور در نظر گرفت.
سازندگان رگولاتور مقاديرC1 و Cg و CV را براي محصولات خود به صورت يك جدول دراختيار طراحان قرار مي دهند و حتي برنامه نرم افزاري جهت حل معادله فوق و به دست آوردن اندازه صحيح رگولاتور را در اختيار قرار مي دهند.
براي به دست آوردن ميزان Cg از فرمول دوم وبراي به دست آوردن حداكثر جريان عبوري از رگولاتور از فرمول اول مي توان استفاده نمود .ماكزيمم جريان باقرار دادن ماكزيمم P1 در معادله به دست مي آيد .
مثال : مطلوب است اندازه رگولاتور براي مشخصات ذيل :

Q= 15000 SCMH=5292000 SCFH

P1=1000 PSIG

G=0.69

T=60F

در اين مثال مراحل لازم جهت تعيين اندازه صحيح يك رگولاتور نشان داده مي شود . بايدگفته شود كه همينطوركه فشار گاز در رگولاتور كاهش مي يابد سرعت گاز زياد مي شود و در يك نقطه معين سرعت گاز به سرعت صوت در آن سيال مي رسد . (درمورد گاز طبيعي سرعت صوت برابر 1400 ft/see) و اين سرعتي است كه در رگولاتور موجب خفگي يا (choke) مي شود و در اين حالت هيچ مقدار اضافه گاز از رگولاتور عبور نمي نمايد مگر فشار گاز افزايش يابد.
در معادله محاسبه Cg بخش سينوسي معادله در مخرج كسر در حقيقت درصد سرعت گاز را نسبت به سرعت صوت نشان مي دهد و اگر سرعت عبور گاز به سرعت صوت(sonic Velocity) برسد تابع سينوسي برابر 1 خواهد بود واگر كمتر باشد به صورت يك كسر كوچك تر از واحد درمخرج معادله ظهور خواهد نمود.
بنابراين مي توان در حداكثر مقدار ، تابع سينوسي را برابر يك فرض نمود ومعادله را حل كرد.

بنابراين سايز رگولاتور مطابق جدول 4 in مي باشد .
مي توان مراحل تعيين اندازه رگولاتور را به شرح ذيل بيان نمود:
1- مقدار Cg را مطابق فرمول براساس مفروضات مساله حساب مي كنيم.
2- Cg به دست آمده را 20 تا 25 درصد افزايش مي دهيم .
3- كلاس بدنه رگولاتور را براساس حداكثر فشار ورودي ممكن انتخاب مي كنيم
4- اندازه شير را براساس جدول سازنده با در دست داشتن مقدار Cg به دست مي آوريم .
5- دامنه فشار پايلوت را با توجه به فشار خروجي تعيين مي نماييم .

درحالتي كه از monitorstand by جهت طراحي رگولاتور استفاده مي شود بايد به مقدار stand by ، 30% افزايش اعمال نمود . در حالتي كه monitorworking استفاده مي شود و فشار بين دو رگولاتور كنترل شود بايد هر يك از رگولاتورها را براساس فشار ورودي خود تعيين اندازه نمود.

روابط ترمو ديناميكي حاكم در رگولاتورها:
با كاهش فشار در رگولاتور سرعت گاز افزايش مي يابد . چنانچه قبلا" اشاره شد فرمول ديناميك در مورد عبور گاز از يك شير فشار شكن به شكل روبرو است :

در حالتي كه ضريب ژول – تامپسون مثبت است ، h2 < h1 مي باشد . بنابراين داريم :

چون h1-h2 مثبت است لذا v2 > v1 مي گردد .بنابراين با توجه به اين كه بايد سرعت خطي گاز در داخل لوله از حد معيني (20 m/s) بيشتر نباشد ، لذا بعد از رگولاتور سرعت گاز افزايش مي يابد . بنابراين بايد در طراحي ايستگاه ساير لوله بعد از رگولاتور را نسبت به سايز لوله ي قبل از رگولاتور گاهي تا دو اندازه بالاتر در نظر گرفته شود (رعايت حداكثر مجاز سرعت گاز در لوله (20 m/s) در بعضي نقاط ممكن است سرعت گاز به سرعت بحراني برسد (سرعت بحراني سرعت صوت در گاز در فشار معين مي باشد)
در مورد گاز اين سرعت حدود (427 m/s) 1400 ft/sec است ودر اين حالت در شير حالت خفگي ايجاد مي شود (choke flow condition) و اين حالت رفع نمي شود مگر اين كه فشار بالا دست شير را افزايش داد . در فرمول فوق تابع سينوسي ، در حقيقت در صد سرعت بحراني را تعيين مي نمايد .
اگر سرعت گاز در داخل شير به سرعت بحراني برسد ، مقدار تابع سينوسي برابر يك مي شود و اگر ميزان سرعت كمتر از سرعت بحراني باشد مقدار تابع سينوسي بايد حساب شود و نتيجه آن در معادله اعمال گردد.
كليه سازندگان شيرهاي رگولاتور به منظور جلوگيري از پديده ناشي سرعت بحراني پيشنهاد مي كنند ضريب Cgدر ضرايب 1.2 – 1.25 ضرب گردد وحاصل در تعيين اندازه شير ملاك قرارداده شود . بنا براين مراحل سايزينگ شيررگولاتور به طور خلاصه چنين است :
1- ميزان Cgرا حساب نموده و در ضريب 1.2 – 1.25 ضرب شود .
2- كلاس بدنه شير با توجه به فشار ورودي و استانداردهاي ساخت بدنه شير تعيين گردد.
3- مقدار افت فشار عملي بزرگتر از افت فشار مينيمم باشد .
4- اندازه شير با توجه به ميزان Cg از روي جدول سازنده شير انتخاب شود .
5- دامنه فشار پايلوت بر مبناي فشار خروجي انتخاب شود .
6- در حالتي كه از monitorstand by استفاده مي شود مقدار 30 در صد به ميزان Cgبه منظور جبران افت ظرفيت دو رگولاتور نسبت به هم بايد اضافه نمود و در حالتي كه از monitorworking استفاده مي شود بايد اندازه هر يك از رگولاتورها جداگانه محاسبه گردد.