ОБНАРУЖЕНИЕ НЕОРГАНИЗОВАННЫХ ВЫБРОСОВ Российский патент 2020 года по МПК F16K37/00 F16K31/04 G01M3/18 G01M3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству обнаружения неорганизованных выбросов и, в частности, но не исключительно, к узлу обнаружения неорганизованных выбросов для использования в промышленной трубопроводной арматуре.

Уровень техники

Промышленная трубопроводная арматура (далее - затвор) очень широко используется во всем мире для управления потоком текучей среды на производстве, в коммунальных системах и прочих технических областях. Например, промышленные затворы (т.е. клапаны, вентили, задвижки и т.д.) могут использоваться в нефтегазовой промышленности, системах водоснабжения и канализации, энергетике, судостроении, горной, пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Промышленные затворы должны быть сконструированы таким образом, чтобы свести к минимуму утечки. В частности, поскольку конструкция затворов диктует необходимость использования нестатических уплотнений, эти уплотнения представляют собой места потенциальных утечек в промышленных системах регулирования потока. Производители затворов постоянно вносят усовершенствования в свою продукцию с целью снижения риска утечек, но не могут полностью исключить такой риск. Утечки могут приводить к потере прибыли/дохода, увеличению затрат на техническое обслуживание, повышению технологического риска / риска для персонала, риска загрязнения окружающей среды и/или технологического потока / продукта.

Эти риски могут быть снижены путем применения методов контроля в соответствии с принципами контроля неорганизованных/неконтролируемых выбросов. Согласно многочисленным региональным директивам / нормативным документам, предлагаемые решения и практические рекомендации по контролю неорганизованных выбросов включают, в порядке приоритета, следующее:

1) предупреждение выбросов путем выбора непротекающего или герметичного оборудования

2) мониторинг с целью обнаружения утечек

3) максимально быстрое устранение утечек

4) постоянное внедрение новейших методов предупреждения утечек. Настоящее изобретение непосредственно посвящено мерам, упомянутым во

втором пункте, а именно мониторингу и обнаружению утечек. В данной области это обычно называют "обнаружением неорганизованных выбросов". Следует, однако, отметить, что выполнение контроля и обнаружения неорганизованных выбросов оказывает непосредственное влияние на третий и четвертый принципы. Поэтому специалисту в данной области будет ясно, что эффективная система обнаружения неорганизованных выбросов может весьма сильно влиять в широком смысле на процессы контроля неорганизованных выбросов.

В настоящее время имеется ряд методов, используемых и/или предлагаемых на рынке для обнаружения неорганизованных выбросов.

Некоторые методы основаны на трудозатратном обнаружении выбросов, выполняемом вручную. Например, акустический метод, когда оператор/инспектор слышит необычные шумы, доносящиеся из оборудования; использование спрея для обнаружения утечек газа, которым опрыскивается место предполагаемой утечки, в результате чего при наличии утечки в этом месте появляются газовые пузырьки; или традиционное отсоединение затворов вручную с целью инспектирования (могущего представлять собой часть программы профилактического технического обслуживания). Ясно, что эти методы являются время- и трудозатратными (зачастую требующими привлечения квалифицированных специалистов) и ограниченно точными.

Поэтому были разработаны различные методы, обеспечивающие автоматизацию или содействие при обнаружении неорганизованных выбросов.

Существуют приборы для обнаружения утечек газа, переносимые в руках или надеваемые инспектирующим персоналом, выполняющие измерения в окружающей среде и подающие сигнал тревоги при обнаружении утечек. Инспектирование с помощью таких течеискателей можно проводить через фиксированные интервалы времени (определяемые соображениями безопасности). Такие устройства обычно используют для обнаружения опасных концентраций летучего газа, могущих нанести вред пользователю.

Одной из более распространенных систем являются инфракрасные измерители температуры. Эти устройства измеряют и сравнивают значения температуры на входе и выходе затвора. Согласно эффекту Джоуля-Томсона, значения температуры на входе и выходе должны быть одинаковыми, поэтому наличие отклонений между этими значениями может служить индикатором неорганизованных выбросов. Этим методом, однако, можно обнаружить не все утечки (некоторые утечки не создают перепад температур, поддающийся измерению). Кроме того, на результаты измерений температуры внешней среды, в которой находятся трубопроводы и трубные затворы, могут оказывать влияние другие внешние факторы, что может иметь следствием снижение точности или даже утерю способности обнаруживать изменения, связанные с утечками.

Еще одна система обнаружения утечек основана на методе акустической эмиссии, в котором используется косвенное измерение турбулентности внутри затвора (например, посредством пьезоэлектрического устройства) и который позволяет определить утечку по изменениям турбулентности. Такие системы обеспечивают выявление только косвенных признаков утечки и нуждаются в основательной адаптации к конкретному затвору. Например, для обеспечения обнаружения изменений требуется большая база экспериментальных данных, а наличие многих переменных в этом методе обнаружения диктует необходимость получения подробной информации, специфичной для конкретного затвора, и характеристик потока.

Наконец, могут быть использованы ультразвуковые стетоскопы, в которых для обнаружения возможных мест утечки через затвор пропускается ультразвуковой сигнал. Эффективность данного метода в настоящее время не подтверждена. Тем не менее, данный метод сопряжен с очевидными ограничениями/трудностями, поскольку требуется очень тщательно выбирать частоту прослушивания, чтобы отфильтровать фоновые шумы. Поэтому использование ультразвуковых стетоскопов требует наличия специально подготовленного и квалифицированного оператора.

Следовательно, существует потребность в создании способа обнаружения выбросов и/или устройства, обеспечивающего содействие и/или автоматизацию при обнаружении неорганизованных выбросов, в частности неорганизованных выбросов, связанных с затворами. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предлагается альтернативная система обнаружения выбросов, позволяющая устранить по меньшей мере некоторые недостатки некоторых методов, описанных выше. Краткое изложение сущности изобретения

В одном варианте осуществления изобретения предлагается устройство управления затвором (запорной/регулирующей арматурой), содержащее:

- корпус, включающий по меньшей мере одну сформированную внутри него полость, которая в процессе работы (использования) примыкает, по меньшей мере частично, к проходу для штока затвора, имеет фиксированный объем и уплотнена (герметизирована) относительно внешней среды, и

- детектор неорганизованных выбросов, содержащий:

по меньшей мере один датчик для измерения давления и температуры текучей среды внутри полости и

• процессор, содержащий:

• вход для получения данных от по меньшей мере одного датчика,

• блок обработки данных, соединенный с возможностью коммуникации со входом и выполненный с возможностью получения данных с последнего и мониторинга изменений количества вещества в полости путем сравнения изменений температуры и давления внутри этой полости, и

• выход для обеспечения индикации неорганизованных выбросов, когда процессор выявляет увеличение количества вещества внутри полости.

В другом варианте осуществления изобретения предлагается затвор, содержащий:

- шток привода затвора, предназначенный для перемещения рабочего органа последнего в процессе работы,

- корпус, по меньшей мере частично охватывающий затвор и включающий часть, определяющую проход для штока затвора,

- по меньшей мере одну полость, сформированную внутри корпуса, в процессе работы примыкающую, по меньшей мере частично, к проходу для

штока затвора, имеющую фиксированный объем и герметично изолированную от внешней среды, и

- детектор неорганизованных выбросов, содержащий:

• по меньшей мере один датчик для измерения давления и температуры текучей среды внутри полости и

• процессор, содержащий:

• вход для получения данных от по меньшей мере одного датчика,

• блок обработки данных, соединенный с возможностью коммуникации со входом и выполненный с возможностью получения данных с последнего и мониторинга изменений количества вещества в полости путем сравнения изменений температуры и давления внутри этой полости,и

• выход для обеспечения индикации неорганизованных выбросов, когда процессор выявляет увеличение количества вещества внутри полости.

Одним объектом изобретения является устройство управления промышленным затвором, включающее интегрированный узел обнаружения неорганизованных выбросов в затворе.

В контексте настоящего описания интегрированный узел обнаружения неорганизованных выбросов содержит детектор, по меньшей мере частично интегрированный в устройство управления затвором, но могущий по выбору быть интегрированным в сеть управления/мониторинга. В некоторых вариантах осуществления изобретения в/на устройстве управления затвором может быть предусмотрен локальный блок обработки данных. В альтернативном варианте может быть использован удаленный процессор (например, компьютер, совместно используемый несколькими устройствами), получающий данные из сети.

Другим объектом изобретения является устройство управления затвором, содержащее:

- корпус, включающий по меньшей мере одну сформированную внутри него полость, которая в процессе работы примыкает, по меньшей мере частично, к проходу для штока затвора,

- уплотнительную поверхность, выполненную с возможностью вхождения в процессе работы в плотный (уплотняющий) контакт с фланцем, предусмотренным на затворе и окружающем проход для штока затвора, с целью изоляции полости или полостей от внешней среды при монтаже устройства на фланце, и

- по меньшей мере один датчик для мониторинга состояния газа в полости. Устройство управления затвором может, таким образом, включать

интегрированный узел обнаружения неорганизованных выбросов.

Затвор может представлять собой промышленную трубопроводную арматуру.

Таким образом, в настоящем изобретении предлагается устройство управления затвором, включающее интегрированный узел обнаружения неорганизованных выбросов в затворе.

Устройство управления затвором может представлять собой подобное устройство любого известного типа, которое, как будет ясно специалисту в данной области, обычно крепится к промышленному затвору, входя в зацепление со штоком затвора, и является средством управления затвором и приведения его в действие в процессе использования. Например, простейшим устройством управления затвором может быть управляющий рычаг или маховик. В альтернативном варианте устройство управления может представлять собой привод затвора - электрический, пневматический или гидравлический. Устройство управления затвором может также представлять собой промежуточный компонент в приводной системе затвора, например редуктор или переходное устройство. Такие промежуточные компоненты могут крепиться к промышленному затвору (входя в зацепление с его штоком) и затем соединяться, в свою очередь, с приводом затвора и т.п.

Специалистам в данной области известно, что различные подобные устройства управления затвором поставляются в настоящее время группой компаний Rotork PLC. Предлагаемые в настоящем изобретении узлы могут быть легко встроены в такие известные устройства с внесением лишь минимальных изменений.

Настоящее изобретение основано, по меньшей мере частично, на установленном заявителем факте, что статические уплотнения в затворе и/или устройстве управления затвором являются очень надежными (и могут условно считаться совершенными уплотнениями), тогда как вращающееся уплотнение, предусматриваемое на штоке затвора, неизбежно демонстрирует меньшую надежность (и, следовательно, обычно требует технического обслуживания и инспекции, носящих более регулярный характер). Следовательно, можно ожидать, что путь утечки в случае неорганизованных выбросов из затвора пройдет - как путь наименьшего сопротивления, - через проход для штока затвора (и, как правило, через вращающиеся уплотнения, предусмотренные в этом проходе для изоляции пространства между штоком и корпусом затвора) в устройство управления затвором.

Любые подобные неорганизованные выбросы будут поступать в предусмотренную для этого полость, которая в процессе работы примыкает, по меньшей мере частично, к проходу для штока затвора. Изобретение благоприятным образом обеспечивает выполнение мониторинга/контроля в устройстве управления затвором, а не в самом затворе, что почти всегда позволяет сделать это в более удобном и/или легко достижимом месте. Выполнение контроля в более удобном месте обеспечивает также то преимущество, что изобретение предоставляет, в отличие от многих методов, известных из уровня техники (таких как инфракрасные измерители температуры или метод акустической эмиссии), возможность непосредственного проведения анализа вытекающей среды.

Кроме того, преимущество изобретения заключается в том, что устройства управления затвором обычно легко заменяются или модифицируются (тогда, как затвор находится в поточной технологической линии, что предполагает непрерывную работу). Например, устройства управления затвором обычно выполнены с возможностью крепления на стандартизованные фланцы затворов. Поэтому устройство управления затвором, предлагаемое в изобретении, может быть легко модифицировано для подгонки к существующим промышленным затворам.

В частности, по меньшей мере один датчик может измерять температуру и давление внутри полости. По меньшей мере один датчик может быть предусмотрен внутри устройства управления затвором. По меньшей мере один датчик может в целом находиться в непосредственной связи с внутренним пространством полости.

Согласно закону идеального газа, давление и температура в некотором объеме непосредственно зависят от количества вещества, присутствующего в этом объеме. Объем полости в устройстве управления затвором является известной величиной. Далее, этот объем обычно является постоянным. Измеренные значения давления и температуры можно использовать в качестве индикаторов любого изменения количества вещества внутри полости. Поскольку при монтаже устройства на затворе полость обычно бывает герметично изолированной (за исключением того, что она по меньшей мере частично примыкает к проходу для штока промышленного затвора), любое изменение, зарегистрированное в полости, может рассматриваться как свидетельство утечки из корпуса затвора в месте прохождения его штока (то есть утечки за уплотнением штока затвора). Таким образом, обнаружение какого-либо изменения в полости можно использовать в качестве непосредственного критерия наличия неорганизованных выбросов из затвора.

Для сохранения постоянным эффективного объема полости важно обеспечить хорошее уплотнение между полостью и внешним пространством, поддерживая сообщение полости по текучей среде с каналом утечки из прохода для штока затвора. Это уплотнение достигается при вхождении в контакт фланца затвора и уплотнительной поверхности устройства управления затвором. Уплотнительная поверхность устройства управления затвором может включать по меньшей мере один эластичный уплотнительный элемент, например уплотнительное кольцо круглого сечения. Для достижения эффективного уплотнения в процессе работы эластичный уплотнительный элемент может подвергаться сжатию между противолежащими участками фланца и уплотнительной поверхности.

Узел обнаружения неорганизованных выбросов, соответствующий некоторым вариантам осуществления изобретения, может быть предназначен только для регистрации изменения (обычно увеличения) количества вещества в камере (для обнаружения утечки), а не для определения фактической величины такого количественного изменения. Это упрощает реализацию изобретения, поскольку при постоянном объеме полости нет необходимости в определении/измерении фактической величины этого объема. Это позволяет, например, благоприятным образом исключить любые погрешности или калибровку, связанную с допусками при изготовлении.

В полости может быть предусмотрен выпускной канал для сброса избыточного давления. Этот выпускной канал обеспечивает невозможность превышения давлением текучей среды внутри полости некоторого заданного предельного безопасного значения. При превышении давлением такого безопасного значения текучая среда может быть выпущена через выпускной канал для сброса избыточного давления во внешнюю атмосферу. Задаваемое предельное безопасное значение давления может быть выбрано достаточно низким, чтобы не допустить повреждения устройства управления затвором. Задаваемое предельное безопасное значение давления может быть выбрано с превышением порога чувствительности в отношении обнаружения неорганизованных выбросов. В нормальном режиме работы в этом случае можно ожидать обнаружения системой любых неорганизованных выбросов до возникновения необходимости сброса давления (и это, возможно, позволит предотвратить выбросы до достижения давлением в корпусе предельного безопасного значения). В выпускном канале для сброса избыточного давления можно предусмотреть, например, клапан или разрывную мембрану для обеспечения сброса давления при достижении или превышении им предельного безопасного значения.

Устройство управления затвором может также содержать процессор для получения данных от по меньшей мере одного датчика и определения, указывают ли они на наличие неорганизованных выбросов. Процессор может находиться в месте установки устройства управления затвором или представлять собой удаленный процессор (являющийся, например, частью системы, включенной в какую-либо сеть). Локальное размещение процессора может обладать преимуществом, поскольку позволяет системе осуществлять локальную индикацию обнаружения неорганизованных выбросов (представляющую собой дополнительное предупреждение, дублирующее, например, посылку сигнала в систему мониторинга или управления).

Процессор может быть, например, выполнен с возможностью получения данных измерения давления и температуры, касающихся полости, от по меньшей мере одного датчика и определения наличия какого-либо изменения количества вещества внутри этой полости. Например, процессор может быть выполнен с возможностью определения изменения путем проведения вычисления по следующей формуле:

где:

пропорциональное изменение количества молей, Р₀ - первоначальное (то есть исходное/данное) давление в полости, P₁ - текущее (измеренное) давление в полости,

T₀ - первоначальная (то есть исходная/данная) температура в полости,

T₁ - текущая (измеренная) температура в полости.

Индикация неорганизованных выбросов процессором возможна, если

При возврате устройства в исходное состояние значения Р₀ и Т₀ могут быть записаны процессором. Например, может быть предусмотрена кнопка или функция возврата в исходное состояние, инициирующая процесс записи считываемых значений давления и температуры в качестве исходных.

Устройство управления затвором может быть снабжено сетевым модулем (например, приемопередатчиком, соединенным с процессором). Это позволяет, например, интегрировать систему обнаружения неорганизованных выбросов в сеть управления или мониторинга. Сетевой передатчик может быть, например, выполнен с возможностью включения в стандартную проводную или беспроводную полевую сеть. Например, сетевой передатчик может быть выполнен совместимым с системой Pakscan, поставляемой группой компаний Rotork.

Включение системы обнаружения неорганизованных выбросов в сеть позволяет благоприятным образом осуществлять непрерывный мониторинг в режиме реального времени. Кроме того, данная система может уменьшить неорганизованные выбросы в окружающую среду, обеспечивая незамедлительное оповещение или сигнализацию при любых неисправностях затвора.

В соответствии с этим, в еще одном варианте осуществления изобретения предлагается система мониторинга затвора, содержащая группу устройств управления затвором, каждое из которых связано с одним затвором из соответствующей группы затворов и снабжено интегрированным узлом обнаружения неорганизованных выбросов.

Система мониторинга затвора может включать проводную или беспроводную сеть. Система мониторинга затвора может включать центральный контроллер.

Например, каждое устройство управления затвором может содержать устройство управления затвором, соответствующее изобретению.

Устройство управления затвором, предлагаемое в изобретении, может включать дополнительные датчики для отслеживания эксплуатационного состояния затвора и/или устройства управления затвором. Например, может быть предусмотрен указатель положения для определения положения рабочего органа затвора в процессе его хода. Эту информацию можно объединить с данными мониторинга, полученными от датчиков положения (например, в процессоре). Это позволяет использовать данные, полученные системой обнаружения неорганизованных выбросов, в целях дополнительной диагностики. Например, система мониторинга или управления может использовать информацию датчиков положения вместе с данными системы обнаружения неорганизованных выбросов, чтобы скоррелировать в процессе работы затвора этап или положение, при котором возникают выбросы.

Корпус устройства управления затвором может по меньшей мере частично вмещать компоненты этого устройства. Например, он может представлять собой литой кожух. Корпус может представлять собой, например, корпус, удовлетворяющий требуемому стандарту экологической безопасности для герметичности.

Еще одним объектом изобретения является привод затвора, содержащий:

- двигатель для вращения приводного вала в процессе работы,

- выходной узел, приводимый в движение приводным валом и выполненный с возможностью приведения в движение штока затвора в процессе работы последнего,

- корпус привода затвора, включающий:

• по меньшей мере одну сформированную внутри этого корпуса полость, которая в процессе работы примыкает, по меньшей мере частично, к проходу для штока затвора,

• уплотнительную поверхность, выполненную с возможностью вхождения в процессе работы в плотный контакт с фланцем, предусмотренным на затворе и окружающем проход для штока затвора, с целью изоляции полости или полостей от внешней среды при монтаже устройства на фланце,

- по меньшей мере один датчик для мониторинга состояния газа в полости. Выходной узел может содержать редуктор. Редуктор может приводиться в

движение червячной шестерней, связанной с приводным валом.

Другим объектом изобретения является затворное устройство, включающее затвор и устройство управления затвором, представленное в настоящем описании.

Специалисту в данной области будет ясно, что устройство управления затвором и затвор могут быть сформированы как единое целое (хотя это может и не иметь промышленного значения) без изменения базового принципа интегрирования узла обнаружения неорганизованных выбросов в часть затвора в сборе, представляющую собой его устройство управления.

Таким образом, еще одним объектом изобретения является затворное устройство, содержащее затвор, включающий:

- рабочий орган затвора,

- шток привода затвора,

- корпус, по меньшей мере частично охватывающий затвор и включающий часть, определяющую проход для штока затвора,

- по меньшей мере одну полость, сформированную внутри корпуса, герметично изолированную от внешней среды и по меньшей мере частично примыкающую к проходу для штока затвора,

- по меньшей мере один датчик для мониторинга состояния газа в полости. Затвор может содержать уплотнение штока затвора, отделяющее полость от этого штока.

Корпус, по меньшей мере частично охватывающий затвор, и корпус, определяющий по меньшей мере одну полость, могут быть сформированы как единое целое.

В другом варианте осуществления изобретения предлагается способ реализации системы обнаружения неорганизованных выбросов для затвора, включающий:

- подготовку устройства управления затвором, включающего интегрированный узел обнаружения неорганизованных выбросов,

- герметичное соединение устройства управления затвором с затвором таким образом, чтобы устройство управления затвором находилось на пути утечки, определяемом неорганизованными выбросами, и

- мониторинг состояния текучей среды внутри устройства управления затвором с целью обнаружения неорганизованных выбросов.

Данный способ может предполагать модификацию. Поэтому этап подготовки устройства управления затвором может включать дополнительный этап демонтажа имеющегося устройства управления затвором.

Устройство управления затвором может, например, представлять собой устройство управления затвором, соответствующее любому варианту осуществления изобретения.

Способ может также включать соединение устройства управления затвором с сетью управления.

Этап мониторинга состояния текучей среды может включать мониторинг изменений давления и/или температуры внутри части устройства управления затвором с целью обеспечения индикации любых неорганизованных выбросов.

Хотя изобретение описывается выше со ссылками на ряд вариантов его осуществления, следует иметь в виду, что оно включает любые комбинации признаков, представленных выше или в приведенном ниже описании и на приложенных чертежах.

Краткое описание чертежей

Конкретный вариант осуществления изобретения подробно описан ниже только посредством примера и со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано:

фиг. 1 - схематическое изображение затвора и устройства управления затвором согласно одному из вариантов осуществления изобретения,

фиг. 2 - схематическое изображение в поперечном разрезе узла обнаружения неорганизованных выбросов, предусмотренного в устройстве управления затвором согласно одному из вариантов осуществления изобретения,

фиг. 3 - схематическое изображение в поперечном разрезе узла обнаружения неорганизованных выбросов, предусмотренного в устройстве управления затвором согласно одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан типичный промышленный затвор 10 в сборе, который может использоваться для управления потоком текучей среды в промышленных областях. Например, затвор 10 в сборе может использоваться в нефтегазовой промышленности, системах водоснабжения и канализации, энергетике, судостроении, горной, пищевой, фармацевтической и химической промышленности. Затворное устройство включает затвор 10, содержащий рабочий орган 12 затвора, соединенный со штоком 14 привода затвора. Затвор может представлять собой, например, запорное устройство с поворотом рабочего органа на четверть оборота или с многооборотным приводом.

Рабочий орган 12 и шток 14 затвора расположены внутри корпуса 16. Верхняя часть корпуса 16 содержит проход 17 для штока затвора и оканчивается фланцем 18. Между проходом 17 и штоком 14 предусмотрен по меньшей мере один уплотнительный элемент 15 штока, предназначенный для предотвращения выхода текучей среды из корпуса 16 затвора в процессе работы. Поскольку уплотнительный элемент 15 штока является нестатическим (так как шток 14 обычно вращается относительно прохода 17 в процессе работы), он обеспечивает менее надежное уплотнение, чем статические уплотнительные элементы (например, элементы, расположенные между корпусом затвора и соединенным с ним трубопроводом). Поэтому при возникновении утечки в затворе уплотнительный элемент 15 штока представляет собой путь наименьшего сопротивления, и неорганизованные выбросы будут, как ожидается, происходить через этот уплотнительный элемент 15 и выход прохода 17 для штока.

Затвор 10 в сборе также включает устройство 20 управления затвором. Устройство 20 управления затвором входит в зацепление, с возможностью передачи приводного усилия, с верхней частью штока 14 затвора и представляет собой средство регулирования и приведения в движение рабочего органа 12 затвора в процессе работы. Устройство 20 управления затвором помещено внутрь корпуса 22, расположенного таким образом, что он соединяется с корпусом 16 затвора через фланец 18. В своей простейшей форме устройство управления затвором может представлять собой орган ручного управления, такой как маховик, и включать связанный с ним редуктор. В примере, показанном на фиг. 1, устройство управления затвором представляет собой устройство с электрическим приводом (например, одним из линейки интеллектуальных электроприводов, выпускаемых компанией Rotork Controls Limited). В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство управления затвором может также представлять собой промежуточный компонент в приводной системе затвора, например редуктор или переходное устройство, которое крепится к фланцу 18 затвора, входя в зацепление, с возможностью передачи приводного усилия, со штоком 14, но которое, в свою очередь, получает приводное усилие от другого привода, приводящего в движение этот промежуточный компонент или управляющего последним.

Изобретение наилучшим образом иллюстрируется на фиг. 2, где в частичном разрезе схематически показано устройство 20 управления затвором, снабженное интегрированным узлом обнаружения неорганизованных выбросов (компоненты и работа которого описываются ниже).

Устройство 20 управления затвором соединяется с фланцем 18 любым обычным способом. Сопряжение корпуса 22 устройства управления затвором происходит по уплотнительной поверхности 23, которая примыкает к соответствующей верхней поверхности фланца затвора. На уплотнительной поверхности может быть предусмотрен по меньшей мере один уплотнительный элемент 24, например уплотнительное кольцо круглого сечения, размещенное в выемке 25. При монтаже устройства 20 управления затвором на корпусе 16 затвора данная уплотнительная конструкция обеспечивает эффективное уплотнение вокруг верхнего конца прохода 17 для штока затвора.

В устройстве 20 управления затвором предусмотрена полость 30, находящаяся внутри корпуса 22. Полость 30 может иметь любую подходящую форму. Форма полости 30 зависит от конкретного исполнения устройства 20 управления затвором, так что полость может, например, состоять из ряда связанных друг с другом полостей меньшего размера, или камер. Тем не менее, независимо от конкретной формы полости 30, по меньшей мере ее часть 32 должна примыкать к проходу 17 для штока затвора, когда устройство управления установлено на затвор 10. Благодаря наличию уплотнения вокруг фланца 18 и уплотнительной поверхности 23 (представляющего собой статическое уплотнение, которое может поэтому условно рассматриваться как совершенное уплотнение), полость 30, определяемая корпусом 22, представляет собой единственный выход (через примыкающую часть 32) из прохода 17 для штока затвора, если неорганизованные выбросы выходят за уплотнительный элемент 15 штока.

Для предотвращения роста давления внутри полости 30 до опасного уровня предусмотрен выпускной канал 34 для сброса избыточного давления, позволяющий сбросить давление в нормально-герметичной полости 30 до давления окружающей среды. В нормальном режиме работы выпускной канал 34 для сброса избыточного давления перекрывается регулятором 35 давления, например клапаном или разрывной мембраной, таким образом, что сброс давления происходит только при достижении им заданного предельного безопасного значения, предусмотренного для внутреннего пространства корпуса 22 устройства 20 управления. В нормальном режиме работы наличие выпускного канала 34 для сброса избыточного давления не оказывает влияния на систему обнаружения неорганизованных выбросов, поскольку чувствительность этой системы может быть выбрана таким образом, что она будет иметь значительно более низкий порог в отношении обнаружения неорганизованных выбросов, чем значение, определяющее необходимость сброса давления.

Внутри устройства 20 управления затвором предусмотрены датчики 42 и 44, предназначенные для контроля соответственно температуры и давления и выполненные с возможностью обеспечения непосредственного мониторинга текучей среды внутри полости 30. Информация об условиях внутри полости 30 поступает от датчика 42 температуры и датчика 44 давления в процессор 40 (который может представлять собой, например, логическое решающее устройство). В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения процессор 40 представляет собой локальный блок обработки данных и интегрирован в устройство 20 управления затвором. Ясно, однако, что в альтернативном варианте необработанные данные могут передаваться в удаленное устройство управления или мониторинга, которое может включать процессор. Устройство управления затвором может быть оснащено, по выбору, дополнительными датчиками положения, например датчиком 46 положения затвора, который может быть соединен с кодирующим устройством 42.

Для обеспечения мониторинга нескольких запорных устройств, причем выполняемого предпочтительно в режиме реального времени и непрерывным образом, процессор 40 может быть оснащен сетевым модулем или передающим устройством в качестве средства установления связи с удаленной системой мониторинга 50. Например, соединение процессора может осуществляться через полевую сеть 55, которая может быть как проводной, так и беспроводной.

После установки на затвор 10 устройства 20 управления затвором, соответствующего изобретению, процессор 40 может использовать информацию о давлении и температуре, поступающую от датчиков 42, 44, для обнаружения неорганизованных выбросов.

Процессор использует закон идеального газа:

где:

Р - давление (Па),

V - объем (м³),

n - химическое количество (моль),

R - постоянная идеального газа,

Т - температура (K).

Объем V полости 30 в устройстве 20 управления затвором является постоянной величиной. Кроме того, для обнаружения утечек с помощью данной системы обнаружения неорганизованных выбросов требуется определить лишь пропорциональное изменение (то есть не конкретное число) количества молей. Таким образом, может быть получено следующее уравнение:

где:

- пропорциональное изменение количества молей, Р₀- первоначальное (то есть исходное/данное) давление в полости, P₁ - текущее (измеренное) давление в полости,

Т₀ - первоначальная (то есть исходная/данная) температура в полости, T₁-текущая (измеренная) температура в полости.

Еслито утечки отсутствуют.

Вследствие этого процессор 40 может вычислить любое пропорциональное изменение п внутри полости 30, используя отсчеты для Р и Т, полученные от датчиков 42 и 44 в устройстве управления затвором. Поскольку в нормальном режиме работы полость является герметично изолированной, любое зарегистрированное изменение п будет указывать на наличие неорганизованных выбросов в полость 30 из прохода 17 для штока затвора.

Важно отметить, что принятие объема полости постоянным весьма существенно упрощает реализацию изобретения на разных затворах и устройствах управления последними, поскольку процессору 40 требуется только измерить изменения давления и температуры.

На фиг. 3 показан альтернативный вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения полость 30' сформирована под фланцем 18' с помощью пары уплотнительных элементов, расположенных на валу 14' на некотором расстоянии друг от друга. Ясно, что вал 14'' может представлять собой выходной узел, простирающийся от привода и соединенный в процессе работы со штоком затвора. Вал 14' может быть выполнен как единое целое со штоком затвора. Специалисту в данной области будет ясно, что в контексте настоящего описания вал 14' можно рассматривать как устройство управления затвором.

Вал 14' расположен внутри корпуса 22' вала, который примыкает к проходу для штока затвора, предусмотренного в затворе. Полость 30' расположена вокруг вала 14' и образована корпусом 22' вала и парой уплотнительных элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси вала 14'. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения эти уплотнительные элементы включают первичное уплотнение, образованное уплотнительным пакетом 19', и вторичное уплотнение (которое может представлять собой обычный сальник) 15'. Уплотнительный пакет 19' расположен ниже сальника 15', однако ясно, что в зависимости от конкретного конструктивного исполнения корпуса 22' и вала 14' порядок размещения / тип уплотнительных элементов может быть обратным. Таким образом, границы кольцеобразной полости 30', имеющей фиксированный объем, определяют вал 14', корпус 22' и уплотнительные элементы 15' и 19'.

Предусмотренные в конструкции датчики 42' и 44' измеряют температуру и давление внутри полости 30' (ясно, однако, что в альтернативном варианте может быть предусмотрен единственный датчик для измерения и давления, и температуры). Данные, полученные датчиком(-ами) и относящиеся к давлению и температуре внутри полости, поступают в процессор в соответствии с предыдущим вариантом осуществления изобретения, а изменения давления и температуры могут быть использованы для индикации изменения количества вещества (то есть текучей среды) внутри полости, свидетельствующего о наличии неорганизованных выбросов.

Ясно, что прочие признаки первого варианта осуществления изобретения могут быть включены во второй вариант осуществления изобретения в пределах объема последнего. Например, полость 30' может быть снабжена выпускным каналом для сброса избыточного давления, позволяющим контролировать выпуск газа в случае больших неорганизованных выбросов. Ясно, далее, что корпус 22' может быть сформирован как единое целое с корпусом затвора либо может крепиться к последнему любым подходящим способом (с использованием соответствующего уплотнения).

Из приведенного выше описания ясно следует, что в настоящем изобретении предлагается полезная конструкция, в которой устройство управления затвором включает интегрированный узел обнаружения неорганизованных выбросов. Преимущества изобретения могут включать одно или более из следующего:

• После ввода в эксплуатацию устройство не требует никаких трудовых затрат - информация передается соответствующему персоналу через полевую сеть (проводную или беспроводную) в режиме реального времени и непрерывным образом

Непосредственное обнаружение утечек текучей среды

Изобретение можно использовать в диагностических целях, что может обеспечить более сбалансированное и эффективное управление материальными ресурсами

С помощью изобретения может быть уменьшен объем текучей среды, выпускаемой в окружающее пространство в результате неорганизованных выбросов, путем немедленного оповещения соответствующего персонала, благодаря чему можно значительно понизить степень опасности любых утечек и своевременно выполнить ремонт или замену протекающего оборудования

Обнаружение не основывается на опытных данных, полученных ранее

Необходимость в профилактическом техническом обслуживании сводится к минимуму

Не требует владения информацией о конкретном затворе

Не подвержено влиянию внешних шумов

Применимо к самым разным текучим средам

Не нарушает работу затвора (то есть не оказывает влияния на производственный процесс).

Хотя изобретение описано выше со ссылкой на предпочтительный вариант его осуществления, ясно, что в пределах объема изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения, могут быть выполнены различные изменения или модификации. Например, хотя в описанном варианте осуществления изобретения для обнаружения неорганизованных выбросов используется единственная полость, специалист в данной области легко может себе представить, что в системе, требующей дублирования, можно использовать несколько полостей, а методика, описанная в изобретении, может быть независимо применена к каждой из этих полостей.

Группа изобретений относится к средствам обнаружения утечек, обусловленных негерметичностью трубопроводного затвора. Сущность: устройство (20) управления затвором (10) содержит корпус (22) с полостью (30), а также детектор неорганизованных выбросов. Полость (30) в процессе работы примыкает к проходу (17) для штока (14) затвора, имеет фиксированный объем и герметично изолирована от внешней среды. Детектор неорганизованных выбросов содержит датчики (42, 44) температуры и давления текучей среды внутри полости (30) и процессор (40). Процессор (40) содержит вход для получения данных от датчиков (42, 44), блок обработки данных и выход для обеспечения индикации неорганизованных выбросов. Технический результат: снижение трудозатрат и повышение точности определения утечек. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство управления затвором, содержащее:

корпус, имеющий по меньшей мере одну сформированную внутри него полость, которая в процессе работы по меньшей мере частично примыкает к проходу для штока затвора, имеет фиксированный объем и уплотнена относительно внешней среды; и

детектор неорганизованных выбросов, содержащий по меньшей мере один датчик для измерения давления и температуры текучей среды внутри полости и процессор, имеющий:

вход для получения данных от по меньшей мере одного датчика;

блок обработки данных, соединенный с возможностью коммуникации с входом и выполненный с возможностью получения с него данных и мониторинга пропорционального изменения количества молей в полости путем сравнения изменений температуры и давления внутри полости; и

выход для обеспечения индикации неорганизованных выбросов, когда процессор выявляет увеличение количества молей внутри полости,

причем процессор выполнен с возможностью:

определения пропорционального изменения путем вычисления

,

где - пропорциональное изменение количества молей;

Р₀ - первоначальное (данное) давление в полости;

P₁ - измеренное давление в полости;

Т₀ - первоначальная (данная) температура в полости;

Т₁ - измеренная температура в полости, и

Если индикации отсутствия утечек, а

если индикации присутствия неорганизованных выбросов.

2. Устройство управления затвором по п. 1, в котором затвор представляет собой промышленный затвор.

3. Устройство управления затвором по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере один датчик находится в непосредственной связи с внутренним пространством полости.

4. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одна полость снабжена выпускным каналом для сброса избыточного давления.

5. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, процессор которого расположен в месте установки данного устройства.

6. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, содержащее сетевой модуль.

7. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, в котором корпус содержит уплотнительную поверхность, выполненную с возможностью вхождения в процессе работы в уплотняющий контакт с фланцем, предусмотренным на затворе и окружающем проход для штока затвора так, чтобы обеспечить изолирование полости или полостей от внешней среды при монтаже устройства на фланце.

8. Устройство управления затвором по п. 7, в котором уплотнительная поверхность включает по меньшей мере один эластичный уплотнительный элемент.

9. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, в котором процессор выполнен с возможностью определения изменения путем мониторинга изменений давления сравнительно с изменениями температуры внутри полости.

10. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, содержащее дополнительные датчики для отслеживания эксплуатационного состояния затвора и/или устройства управления затвором.

11. Устройство управления затвором по одному из предыдущих пунктов, содержащее двигатель для вращения приводного вала в процессе работы и выходной узел, приводимый в движение приводным валом и выполненный с возможностью приведения в движение штока затвора в процессе работы.

12. Устройство управления затвором по п. 11, в котором выходной узел содержит редуктор, который может, в частности, приводиться в движение червячной шестерней, связанной с приводным валом.

13. Система мониторинга затвора, содержащая группу устройств управления затвором по одному из предыдущих пунктов, каждое из которых связано с одним затвором из соответствующей группы затворов.

14. Система мониторинга затвора по п. 13, содержащая проводную или беспроводную сеть.

15. Затворное устройство, включающее затвор и устройство управления затвором по одному из пп. 1-12.

16. Способ обнаружения неорганизованных выбросов из промышленного затвора, включающий:

обеспечение корпуса, содержащего полость, имеющую фиксированный внутренний объем и сообщающуюся по текучей среде с каналом утечки из прохода для штока затвора;

изолирование полости от внешней среды;

измерение давления и температуры внутри полости и

мониторинг пропорционального изменения количества молей в полости с использованием обнаруженных изменений давления и температуры в этой полости,

причем определение пропорционального изменения количества молей в полости включает вычисление

,

где - пропорциональное изменение количества молей;

Р₀ - первоначальное (данное) давление в полости;

P₁ - измеренное давление в полости;

Т₀ - первоначальная (данная) температура в полости;

T₁ - измеренная температура в полости, и

если осуществляется индикация отсутствия утечек, а

если осуществляется индикация присутствия неорганизованных выбросов.

17. Затвор, содержащий: рабочий орган затвора;

шток привода затвора, предназначенный для перемещения рабочего органа затвора в процессе работы;

корпус, по меньшей мере частично охватывающий затвор и включающий часть, определяющую проход для штока затвора;

по меньшей мере одну сформированную внутри корпуса полость, примыкающую в процессе работы по меньшей мере частично к проходу для штока затвора, имеющую фиксированный объем и уплотненную относительно внешней среды; и

детектор неорганизованных выбросов, содержащий по меньшей мере один датчик для измерения давления и температуры текучей среды внутри полости и процессор, содержащий:

вход для получения данных от по меньшей мере одного датчика;

блок обработки данных, соединенный с возможностью коммуникации с входом и выполненный с возможностью получения с него данных и мониторинга пропорционального изменения количества

молей в полости путем сравнения изменений температуры и давления внутри этой полости; и

выход для обеспечения индикации неорганизованных выбросов, когда процессор выявляет увеличение количества молей внутри полости,

причем процессор выполнен с возможностью:

определения пропорционального изменения количества молей путем вычисления

,

где - пропорциональное изменение количества молей;

Р₀ - первоначальное (данное) давление в полости;

P₁ - измеренное давление в полости;

T₀ - первоначальная (данная) температура в полости;

T₁ - измеренная температура в полости, и

если индикации отсутствия утечек, а

если индикации присутствия неорганизованных выбросов.