DD201041A1

DD201041A1 - Verfahren und einrichtung zur druckstossbegrenzung in rohrleitungen

Info

Publication number: DD201041A1
Application number: DD23199981A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Peter Froehlich; Wolfgang Rasim
Original assignee: Froehlich Klaus Peter; Wolfgang Rasim
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1983-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die bei der Verzoegerung von Stroemungen auftretenden Druckerhoehungen durch die druckabhaengige Steuerung der diese Druckerhoehung verursachenden Armatur innerhalb der fuer das System ungefaehrlichen Werte begrenzt werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass gemaess Fig. 1 der Druck 2;3 beiderseits der Armatur 1 und die Mediumtemperatur 4 in deren Naehe gemessen und einem Regler PC zugefuehrt werden. Dieser verzoegert oder unterbricht den Schliessvorgang des Stellenantriebes H in der Weise, dass weder der Nenndruck des Systems noch der Siededruck des Mediums erreicht wird. Durch entsprechende Wahl des Reglers ist eine Begrenzungder Druckanstiegsgeschwindigkeit realisierbar. Bei Verwendung eines pneumatischen oder hydraulischen Stellantriebes fuer die Armatur wirkt die zu begrenzende Druckaenderung desMediums ohne Verwendung einer Hilfsenergie ueber ein elastisches Element direkt querschnittsvermindernd auf die Steuerleitung des Antriebes, waehrend bei elektrischen Antrieben mit konstanter Stellgeschwindigkeit einstellbare Druckschalter durch Unterbrechung des Steuerbefehls den Schliessvorgang intermittierend steuern.

Description

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Titel der Erfindung

Yerfaiiren und Einrichtung zur Druekstoßbegrenzung in Rohrleitungen .

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Drossel- und Absperrvorgänge in allen flüssigkeitsführenden Rohrleitungen, z. B. leitungen und Hetze der Y/asser- und Fernwärme Versorgung, Ölpipelines u. a.. Sie dient der Vermeidung von Druckst ößen bzw. Aus dampf vorgängen mit nachfolgenden Kondensationssanlagen beim Abbremsen der Flüssigkeitsströmung und ist bevorzugt in den immer größer v/erdenden Netzen der Wasser- und Fernwärmeversorgung einsetzbar, um den Bedienkomfort und die Anlagensicherheit zu erhöhen.

Charakteristik des bekannten technischen Lösungen

Bei der Verzögerung oder bei völligem Absperren eines strömenden Mediums in einer Rohrleitung baut sich durch die Umwandlung kinetischer Energie in potentielle Energie vor dem Absperrorgan ein Druck auf. Hinter dem Absperrorgan entsteht ein Druckabfall, durch den je nach Strömungsgeschwindigkeit und Anlagengestaltung der Siededruck erreicht werden kann und eine Entgasung bzw. Verdampfung mit nachfolgender stoßartiger Kondensation erfolgt. Zur Vermeidung bzw. zur Verminderung dieser stoßartigen Beanspruchung des Systems werden handbetätigte oder motorgetriebene Schließvorgänge so durchgeführt, daß der Bedienende durch Beobachtung des Druckes und des Massenstromes die Schließgeschwindigkeit entsprechend vermindert oder den Schließvorgang unterbricht, sofern der Druck unzulässig hohe Vierte annimmt.

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Bei bekannten und gleichbleibenden Systemparametern ist es durch Auslegung einer entsprechend geringen Schließgeschwindigkeit bzw» durch den Einsatz einer' Antriebssteuerung mit intermittierendem Yerhalten möglich, den Druckanstieg beim Schließvorgang in bestimmten Grenzen zu halten.

Wenn jedoch durch eine ungünstige Schließcharakteristik von Absperrorganen trotz dieser Maßnahmen noch zu große Druckanstiege auftreten, so kann das Medium über eine zur Armatur parallelgeschaltete Bypaßleitung mit Bypaßarmatur geringeren Querschnitts geleitet werden.

Beim Schließvorgang wird hierbei durch eine Sequenzschaltung gesichert, daß die Bypaßarmatur unmittelbar nach der Hauptarmatur schließt und damit insgesamt ein SchließVorgang mit längerer.Dauer und geringerer Druckerhöhung erhalten wird.

In ähnlicher Weise arbeitet die in der Offenlegungsschrift (DE - OS - 2 346 754) beschriebene „Einrichtung zur Reduzierung von Druckstößen in einer Rohrleitung" in der nach dem schlagartigen Umschalten eines Dreiwegeventils das strömende Medium durch eine Bypaßarmatur geringeren Querschnitts geleitet wird und diese Bypaßarmatur danach kontinuierlich schließt.

Demgegenüber beschreibt die Erfindung „Druckanstiegsbegrenzer für Rohrleitungen" DE - OS - 2 629 205 ein in der gefährdeten Rohrleitung angeordnetes Strahlventil, welches bei zu hohem Druck bzw. Druckgradienten einen Teil des Mediums in einen Ausgleichsbehälter ausspeist.

Die „Torrichtung zur Sicherung von Rohrleitungen gegen unzulässig hohe Innendruckbelastung" (DE - OS - 2 238 224) erreicht gleichfalls durch Öffnen der gefährdeten leitung den Abbau des zu hohen Innendruckes.

Weitere Erfindungen beschreiben Torrichtungen und Terfahren zum Abbau von in Rohrleitungen auftretenden Druckspitzen durch Öffnen von Sicherheitsventilen (DE - 03¹ - 2 720 104; DE - 0? - 2 818 391; DE - AS - 2 124 620)

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bzw· zur Aufrechterhaltung eines minimalen Innendruckes (DB - Oi¹ - 2 400 636).

Die "beschriebenen Lösungen verhindern das Auftreten unzulässig hoher Innendrücke entweder durch künstliche Yerlängerung der Schließzeit der Absperrarmatur bzw. durch Parallelschaltung einer zeitlich nach der Hauptarmatur schließenden Bypaßarmatur oder durch den Abbau vorhandener Druckerhöhungen mittels Öffnen von Sicherheitsventilen. Während die ersteren der genannten Maßnahmen zu langen Schließzeiten führen und diese vor allem in Havariesituationen unerwünscht sind, verursachen letztere die beim Ausspeisen von Medium aus Druckrohrleitungen bekannten Probleme.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den beim Schließen einer Absperrannatur entstehenden Durckanstieg im strömenden Medium durch die druckabhängige Regelung der Schließgeschwindigkeit dieser Armatur zu begrenzen. Dabei erfolgt im Gegensatz zu den voran beschriebenen Yerfahren kein Abbau des vorhandenen und sich in dem System ausbreitenden Druckes durch Öffnen von Tentilen und Ausspeisen von Medium., sondern der Aufbau eines unzulässig hohen Druckes wird selbsttätig und direkt am Ort seiner Entstehung verhindert.

lieben der Vermeidung von Druckstößen ist es weiterhin Ziel der Erfindung, kürzestmögliche Schließzeiten bei Absperroder Drosselvorgängen von fließendem Medium unter Ausnutzung eines unterhalb der Henndruckstufe des Systems liegenden größtmöglichen Druckes zu erreichen. Hierbei wird das Prinzip eingehalten, nach welchem die Schließzeit nicht so lang wie möglich vorgegeben wird, sondern sich nur so lang wie nötig einstellt. Demgegenüber ergeben die voran beschriebenen Terfahren mit künstlich verlängerter Schließzeit durch intermittierende Fahrweise des Stellmotors nur im Auslegungsfall die unter Beachtung des maximal möglichen Druckanstieges kürzesten Schließzeiten. Für Belastungsfälle unterhalb der

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Uerualast, d. Ja. bei geringerer Fließgeschwtn&igkeit als im Auslegungsfall, ist die Schließzeit solcher Absperrorgane langer als erforderlich. Darüber hinaus würde bei einer höheren als der der Antriebssteuerung zugrunde gelegten Fließgeschwindigkeit des Mediums eine Gefährdung des Systems durch unzulässig hohe Druckanstiege eintreten, da sich der fest programmierte Steuerbaustein zur Schließzeitverlängerung nicht an die veränderten ,Strömungs- und Druckverhältnisse anpassen kann. Durch die Erfindung entfällt neben den genannten technisch bedingten Nachteilen auch der subjektive Einfluß mit seinen Fehlermöglichkeiten bei handbetätigter Steuerung des Schließvorganges unter Beobachtung des Druckverlaufes. Das Öffnen von Absperrarmaturen verursacht für die Rohrleitung im allgemeinen geringere Gefährdungen als der Schließvorgang. Aus technologischen Gründen ist jedoch häufig eine bestimmte Öffnungsgeschwindigkeit einzuhalten, die mit der vorgeschlagenen Erfindung ebenfalls realisiert v^erden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugxsunde, bei Stell- oder Absperrvorgängen in strömenden Medien kürzeste Stellzeiten unter Einhaltung vorgegebener und selbsttätig ermittelter Druckgrenzwerte durchzuführen, diese Stellzeiten sowohl bei kleineren als auch bei größeren Werten der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur als im Auslegungsfall zu gewährleisten und die Betriebssicherheit der Anlage durch Vermeidung unzulässig hoher Druckstöße sowie die Bedienbarkeit durch die selbsttätige Regelung der Stellgeschwindigkeit zu vergrößern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem beim Schließvorgang einer Stell- oder Absperrarmatur die Stellgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck und von der Druckanstiegsgeschwindigkeit vor der Armatur sowie vom Druck

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und von der Medientemperatur hinter der Armatur gesteuert wird, wobei ein zu hoher Druck oder Druckgradient vor oder ein zu dicht am Siededruck des Mediums liegender Druck hinter dem Absperrorgan den Schließvorgang verlangsamt oder unterbricht.

Der einzuhaltende obere Grenzwert des Druckes wird erfindungsgemäß von der Henndruckstufe des Systems abzüglich eines geringen Sicherheitszuschlages "bestimmt und demzufolge fest eingestellt, während der auf der abströmenden Seite der Armatur zu vermeidende Siededruck von der Einrichtung mittels Temperaturmeßfühler selbst ermittelt und als Grenzwert vorgegeben wird.

Torteilhafterweise wird die Erfindung darüber hinaus genutzt, um eine technologisch bedingte Stellgeschwindigkeit beim Öffnen der Armatur zu ermöglichen, was insbesondere beim Pullen leerer Leitungsabschnitte.bzw. Behälter oder beim An- oder Abfahren thermischer Anlagen zur Vermeidung zu hoher Temperaturänderungsgeschwindigkeiten erforderlich ist. Die Erfassung der physikalischen Größen, Druck und Temperatur vor .und nach dem Absperrorgan sowie deren YerarbeiiungHäls zur Einflußnahme auf die Stellgeschwindigkeit kann mit elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Hilfsenergie bzw. mit einer Kombination derselben miteinander erfolgen. Bei. Verwendung eines elektrischen Stellantriebes mit konstanter Stellgeschwindigkeit für das Drosseln oder Absperren der Strömung wird erfindungsgemäß im einfachsten lall ein auf den oberen Grenzwert eingestellter Druckschalter vor und ein Druckschalter mit von der Mediumtemperatur selbsttätig einstellbarem unteren Grenzwert ;hinter der_ Armatur angebracht und deren Kontakte in Reihenschaltung zum Steuerbefehl „Schließen" angeordnet.

Bei Vorhandensein eines hydraulisch oder pneumatisch betätigten Stellantriebes für die Absperrarmatur in der zu schützenden leitung steuert erfindungsgemäß der Druck des fließenden Mediums selbst ohne zusätzlichen Signalträger die Schließgeschwindigkeit, indem ein federbelastetes Steuerelement, eine Membran oder ein faltenbalg bzw. ein Stellkolben,vor^der Armatur angebracht und einseitig

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vom Medium beaufschlagt wird und eatsprechend seiner druckabhängigen Auslenkung direkt oder über eine mechanische Verbindung zu einem Drosselventil in den Durchfluß des Steuermediums zum Antrieb der Armatur eingreift und, damit die Schließgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Druckänderung des Mediums verlangsamt oder bei Erreichen des Grenzwertes den Schließvorgang unterbricht. Ein zweites, vom Druck und. von der Temperatur des fließenden Mediums nach der Armatur beaufschlagtes und federbelastetes Steuerelement greift erfindungsgemäß in gleicher Weise in den Durchfluß des Steuermediums ein und verhindert ein Absinken bis.eruf den Siededruck auf der abströmenden Seite der Armatur.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnungen 1 bis 2 erläutert werden. Es zeigen:

Pig. 1 ein technologisches Schema der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durckstoßbegrenzung in Rohrleitungen für eine einzelne Absperrarmatur

S¹Ig. 2 das Schema einer gleichen Einrichtung für eine Hauptarmatur und. eine parallelgeschaltete Bypaßarmatur

Fig. 3 einen Signalflußplan der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Druckstoßbegrenzung für eine Absperrarmatur gemäß Pig. 1 . ·

In der in Pig. 1 dargestellten Anordnung zur erfindungsgemäßen Druckstoßbegrenzung befindet sich in der zu schützenden Rohrleitung vor und hinter der Absperr- bzw. Drosselarmatur 1 je eine Druckmeßej^nrichtung 2 und 3 sowie eine Temperaturmeßstelle 4. Der Stellantrieb H mit angebautem Handantrieb kann seinen Steuerbefehl sowohl von einer Pern- als auch von einer Vor-Ort-Steuerung erhalten, wobei diesem. Signal erfindungsgemäß die Druckregeleinrichtung PC überlagert ist. Der untere Druckgrenzwert liegt um einen Sicherheitszuschlag über dem von der Medientemperatur abhängigen Siededruck und wird von der Temperaturmeßeinrichtung T dem Druckregler PC vorgegeben. Der obere Druckgrenzwert ist vom maximal zulässigen Druck des Systems abhängig

und demnach im Regler einzustellen.

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Die Druckregeleinrichtung PC verhindert durch entsprechende Steuerung der Schließgeschwindigkeit des Stellantriebes H, daß an den beiden Druckmeßstellen 2 und 3 weder der Siededruck des Mediums noch der Henndruck des Systems erreicht wird. Daraus geht hervor, daß die Strömungsrichtung durch die Armatur beliebig sein kann. Durch Einbau eines Bifferenziergliedes im Regler PG wird·erfindungsgemäß auch die Druckanstiegsgeschwindigkeit bis zum Erreichen des oberen oder unteren absoluten Enddruckes begrenzt.

Pig. 3 zeigt einen Signalflußplan für den Schließvorgang der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Druckstoßbegrenzung nach Pig. 1 für die Strömungsrichtung von links 2 nach rechts 'durch die Armatur. Übertragungsglied Ί in Pig. 3 stellt den Zusammenhang zwischen dem Massenstrom m und der Eingangsgröße χ- y der Armatur dar, der aufgrund der Betriebskennlinie von Armaturen über dem gesamten Stellbereich nichtlinear ist und in der angegebenen Weise nur für kleine Änderungen gültig ist.

Bei negativem Eingangssignal x_Q erfolgt eine Verminderung des Massenstromes m und dadurch auf der zuströmenden Seite der Armatur eine Druckerhöhung Δρρ, auf der abströmenden Seite ein Druckabfall Δρ-,

Nach den Druckaufnehmern 5 und β werden die Meßwerte mit den Sollwerten w, und W₂ verglichen und dem Regler 7 zugeführt. Das Übertragungsglied 4 stellt den Temperaturfühler zur Korrektur des unteren Sollwertes zwecks Vermeidung des Siededruckes des Mediums dar. Der Sollwert w^ berücksichtigt den Anteil gelöster Gase im fließenden Medium und bestimmt damit den Sicherheitsabstand zum Siededruck, während der obere Sollwert Wp mit einem. Sicherheitszuschlag und unter Berücksichtigung geodätisch tiefer liegender Uetzpunkte unterhalb- der Uenndruekstufe des Systems einzustellen ist. Der Regler 7 mit einem proportional - differential wirkenden Übertragungsverhalten berücksichtigt sowohl eine zu hohe Inderungsgeschwindigkeit als auch einen zu hohen absoluten Wert eines der beiden Eingangssignale und wirkt mit seinem Ausgangssignal y dem Eingangssignal x_Q entgegen.

Claims

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E R ff IUDUNGSANSPRUCH

·. Yerfahren zur Druckstoßbegrenzung in Rohrleitungen, insbesondere zur Begrenzung der beim Termindern von Strömungen durch Absperr- oder Drosselvorgänge entstehenden Druckstöße, gekennzeichnet dadurch, daß die Schließgeschwindigkeit der Drossel- oder Absperrarmatur unter Beachtung eines Druckanstieges vor und eines Druckabfalles nach dem Absperrorgan geregelt und hierbei neben den absoluten Werten des Druckes bzw. einer Druckdifferenz über der Armatur auch eine Druckänderungsgeschwindigkeit an beiden Meßstellen innerhalb vorgegebener Grenzen eingehalten wird und- sich ein unterer Druckgrenzwert zur Termeidung von Entgasungs- und Ausdampfvorgängen in Abhängigkeit von den herrschenden Parametern des fließenden Mediums selbst einstellt.
2. "Verfahren nach Punkt 1 unter Terwendung einer dem Steuerbefehl für eine Armatur übergeordnete Mehrgrößenregelung, gekennzeichnet dadurch, daß der Regler während des Schließvorganges zwei Eingangsgrößen, jeweils die Differenz zwischen dem Druck und einem Sollwert vor und hinter der Armatur verarbeitet und sich der Sollwert des unteren Druckgrenzwertes anhand der Parameter des fließenden Mediums selbst einstellt und neben den absoluten Werten des Druckes auch die Druckänderungsgeschwindigkeit begrenzt wird, der Regler während des Öffnens der Armatur eine technologisch bedingte Stellgeschwindigkeit einhält und die Einrichtung für beliebige Strömungsrichtung gleichermaßen arbeitet.
3. Einrichtung zur Durchführung des Terfahrens nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei pneumatischer oder hydraulischer Steuerung der Absperrarmatur ein vom fließenden Medium in der zu schützenden Rohrleitung beaufschlagtes Steuerelement, eine Membran, ein faltenbalg oder ein Stellkolben in Abhängigkeit vom Druck dieses Mediums vor der Armatur ausgelenkt wird und direkt bzw. über eine mechanische Terbindung zu einem Drosselventil in den Durchfluß des

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Steuermediums eingreift und damit die Schließgesciiwindigkeit der Armatur verringert bzw. den Schließvorgang "bei zu hohem Druck unterbricht und gleichermaßen ein nach der Armatur angeordnetes und sich in Abhängigkeit von der Medxumtemperatur selbsttätig einstellendes Steuerelement bei Annäherung an den Siededruck arbeitet.

Einrichtung zur Durchführung des Terfahrens nach Punkt 3 für stark schwankende Systemdrücke, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle des absoluten Druckes vor der Absperrarmatur der Differenzdruck über der Armatur das Steuerelement beidseitig beeinflußt und bei einem Differenzdruck, der über der Druckerhöhung der Umwälzpumpe liegt, den Schließvorgang verzögert oder unterbricht und damit unabhängig vom statischen Druck des Systems arbeitet.

Einrichtung zur Durchführung des Terfahrens nach Punkt 1 und 2 bei Terwendung eines elektrischen Antriebes mit konstanter Stellgeschwindigkeit, gekennzeichnet dadurch, daß ein auf den oberen Grenzwert einstellbarer Druckschalter vor der Armatur und ein Druckschalter mit von der Mediumtemperatur sich selbsttätig einregulierendem unteren Grenzwert nach der Armatur durch Reihenschaltung ihrer elektrischen Kontakte den Schließvorgang unterbrechen, sobald einer der Grenzwerte des Druckes erreicht wird und nach dem Ansteigen bzw. Abfallen des Druckes oberhalb bzw. unterhalb der Schaltdifferenz des zuerst im Eingriff befindlichen Druckschalters den Steuerbefehl wieder durchschaltet.

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