CN113339337A - 一种无排放的自动增压装置 - Google Patents

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Abstract

一种增压装置或者增压泵，尤其是可以在输运管道上使用的无需外接动力只靠管道压力自动增压的无有害物质排放的增压装置。包括带浮动活塞的双级气缸、先导阀、换向阀和单向阀等，其原理是将管道中的高压流体(气体或者液体)引入一个装置，并作为动力源将与之相隔离的空气压缩到设定值储存于气罐中作为其他驱动器的气源，当管道流体需要排放时，会直接排入下游管道从而避免了管道流体对外的排放，而由压缩空气再去驱动阀门，也不会有排放问题。其优点是在保留原有的控制阀设备和技术上不变的基础上，做到了无排放的环保解决方案，而且实用，简单，自力，环保，安全，可靠和低成本。

Description

一种无排放的自动增压装置
技术领域
本发明涉及一种增压装置或者增压泵，尤其是可以在输运管道上使用的无需外接动力只靠管道压力自动增压的无有害物质排放的增压装置。
背景技术
气动控制阀是以压缩气体为传力介质，驱动膜片或者活塞运动从而带动截流原件运动以达到调节作用的控制阀。气动控制阀在工作时，需要一个一定压力的压缩气源，以便提供足够的压力来驱动截流原件。
在工业应用中，由于在一个工厂中会有许多控制阀存在，同时还会有其他需要压缩气体的设备或场景，所以通常会建立统一的气泵站，由其将空气压缩并通过专用管路输送给需要的设备及阀门。而这种方法对于位于野外的输气管道，或者距离太远的场合就不太适用，其原因是传输距离过长，成本过高。当然也可以使用具有一定压力的储气罐作为气源，但其需要提前储存一定的压缩空气，而且气体被使用后需要更换储气罐或者有气源对其进行补充，所以储气罐一般作为阀门的紧急关断气源或临时气源使用。
其他的解决方案是使用电源。对于野外的场合同样会面临长距离传输以及成本问题。对于易燃易爆的气体，使用强电还会有***的风险或者需要达到隔爆/本安要求使得结果复杂成本升高。利用太阳能或者风能发电来提供动力源是一个选择，但是由于这两种发电方式的不稳定性以及其很难达到驱动阀门或者压缩机所需的电流和电压，使得其只能作为辅助电源或者信号电源，而不能作为真正的驱动电源。
对于输气管道尤其是长距离输气管道，还可以利用管道传输的气体本身作为驱动气源，通过阀门上下游的压力差与预设的弹簧力相平衡来达到控制流量或压力的作用，这就是所谓的自力式阀门。但其也存在一些诸如成本、环保、安全方面的问题。
现有自力式阀门的缺点和不足是1.输气管道内输送的气体直接与阀门驱动器的内部零件接触，有可能对其造成侵蚀，从而降低零件的使用寿命，造成经济损失；2.在阀门调节过程中，由于驱动器气室的体积变化，不可避免地会进行排气，从而会使气室中的气体排入大气。这不仅会造成管道中气体的浪费从而带来经济损失，还会有其他的影响。比如气体是有害的，就会污染环境；气体是可燃性的，会带来火灾隐患。由于环保的原因，越来越多的国家开始限制或者禁止一些气体的排放。
对于自力式阀门的排放问题，现在常用的方法是降低排放量使之不超过法律法规要求的限值。其具体做法是调整控制精度，在平衡点时实现不排气，但在打开或关闭的某个过程需要排气。就是说气动控制阀驱动器排气是很难做到或做不到零排放。即使低排放也是有代价的，其会大大降低控制阀的调节精度和灵敏度。也有一些方案是把排出的气体收集到一个容器中然后再燃烧或回收处理等，但其消耗气体成本会提高同时也会带来其它诸多问题，如燃烧物的排放等。
所以，在工业用或民用能源气体(例如天然气，煤气，一氧化碳，氢气等)的管线输送中的压力或流量调节或紧急关断中，同时满环保、安全、成本、可靠方面的需要是比较困难的。
发明内容
为了解决长距离输运管线上的气动阀门的驱动以及排放问题，本发明提供一种无排放的自动增压装置用作气动驱动器的气源。本发明所采用的技术方案是：将管道中的高压流体(气体或者液体)引入一个装置，并作为动力源将与之相隔离的空气压缩到设定值储存于气罐中作为其他驱动器的气源，当管道流体需要排放时，会直接排入下游管道从而避免了管道流体对外的排放。而压缩空气再驱动阀门也不会有排放问题。
本发明的优点是在保留原有的控制阀设备和技术不变的基础上，做到了无排放的环保解决方案，而且实用，简单，自力，环保，安全，可靠和低成本。具体来说就是：
1.实用：专为气动控制阀的管道应用而设计的，不影响气动控制阀的所有功能，如控制的精确性和准确性及失效保护功能等。
2.自力：只利用管道流体自身的压力作为动力，自动启闭，不需要任何附加动力源。
3.环保：对气动阀门真正做到无排放的环境保护标准而且压缩空气不需要消耗附加能源。
4.安全：配合控制阀的安全特性，全机械全密封设计，保证零泄漏和失效保护，不需要电的介入，既环保又安全。
5.可靠：符合控制阀门的基本要求，全机械设计，结构简单，不需要维护，大大提高了执行机构的可靠性。
6.低成本：在不降低控制阀结构和控制精度的前提下，只增加一个结构简单的“自动增压器”就满足了所有环保和安全的要求，性价比是极高的。
附图说明
图1为自动增压装置的原理图
图2为正向压气开始时的增压装置活塞位置示意图
图3为正向压气结束，气缸换向时的增压装置活塞位置示意图
图4为反向压气开始时的增压装置活塞位置示意图
图5为反向压气结束，气缸换向时的增压装置活塞位置示意图
图6为带无排放自动增压装置的控制阀原理图
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
自动增压器的原理如图1所示，一个双级气缸2内有一个浮动活塞1，活塞和气缸形成4个气室A1、A2、B1和B2，它们之间由密封件进行隔离。四个气室对应的活塞作用面积分别为a1、a2、b1和b2，其中a1＝a2，b1＝b2，a/b＝m。在浮动活塞1上连有一个反馈杆7，反馈杆7的一端与先导阀8的阀芯相联。先导阀8的两个进气口分别联通输气管路的上下游。气控换向阀9的进气口与排气口分别与管道的上下游相连，控制口与气缸的气室A1相连，先导口与先导阀8的出气口相连。气控换向阀10的进气口与排气口分别与管道的上下游相连，控制口与气缸的气室A2相连，先导口与换向阀9的控制口相连。气室B1和B2连接有单向阀3、4和5、6。用于由环境吸入空气和向储气罐11输出压缩空气。
具体运行过程如下：
如图2所示，在压气开始时，气控换向阀9的进气口与气缸2联通，高压流体(压力为PH)进入气室A1；气控换向阀10的出气口与管道下游相连(压力为PL)并与气室A2相通。浮动活塞1在推力F＝PH×a1-PL×a2的作用下，向右移动，压缩气室B2内的空气通过单向阀4进入储气罐11，同时空气通过单向阀6被吸入气室B1，气室A2中的气体排入管道下游。压气开始时，先导阀8的阀芯位于最左侧，连接管道下游的进气口与气控换向阀9的先导口联通，由于气控换向阀9阀芯左侧的作用力小于右侧的作用力，阀芯不动。对于气控换气阀10，此时阀芯两侧压力均为PH，阀芯维持出气口与气室A2联通。
如图3所示，当浮动活塞1运动到极限位置时，反馈杆7拉动先导阀8的阀芯换向；此时先导阀8连接管道上游的进气口与气控换向阀9的先导口联通，在向右推动力的作用下气控换向阀9的阀芯向右运动，使得连接下游管道的出气口与气室A1联通。由于气控换向阀10的先导口与气室A1相通，所以气控换向阀10的阀芯右侧为低压，左侧为高压，在向右推动力的作用下阀芯向右运动，与管道上游相连的进气口与气室A2联通；在F＝PH×a2-PL×a1推力推动下浮动活塞1向左运动(见图4)，压缩气室B1内的空气通过单向阀5进入储气罐11，同时空气通过单向阀3被吸入气室B2，气室A1中的气体排入下游管道；直至浮动活塞1运动到最左端，重又通过反馈杆7将先导阀8的阀芯位置复位，完成了一个循环(见图5)。如此往复，空气不断被压入储气罐11，直至P0＝m×(PH-PL)使双级气缸内压力达到平衡为止。
理论上来讲，P0可以是任意值，只需要选择合适的活塞面积比m即可。m>1时P0甚至会比上游气压PH还要大。这些结构可以集成为一体以便减小体积也可以根据实际情况进行单体组合灵活方便。
此增压装置可以作为阀门驱动器的动力源使用。如图6所示，以上游到下游的稳压工况为例，并设定流量和失效模式(如失效关)。将管道上游和下游的气体分别与增压装置13的高压口和低压口相连，压力分别为P1和P2(P1>P2)。增压装置13的进气口与大气相连，出气口与储气罐11相连，储气罐11的压力设置为P0。在P1和P2的作用下，空气会被压入储气罐11，直到压力为P0为止。当调节阀16需要进行调节时，控制器14会打开进口，储气罐11中的压缩气体经调压阀12调节到所需压力后通过控制器14进入阀门驱动器15的气室驱动截流原件运动，达到调节的目的。储气罐11由于向驱动器15供气而使得内部的压力降低，使得与增压装置13之间的压力平衡被打破，从而引起增压装置13的运动，为储气罐11补充气体直到再次平衡。由于增压装置13中的独特气路设计和密封装置，使得管道流体和驱动气体互相分开，管道流体需要排放时会直接进入下游管道不会排向环境，从而避免了污染。而驱动器15在调节时产生的排气，由于是压缩空气，不会对环境造成影响。
这一自动增压器也可以使用在带有压缩气源的工况，作为增压气罐使用，比如用于紧急关断时使用的气罐，这样就可以利用现有的气源进行增压，而不是单独使用高压气源，节省了成本。

Claims (6)

1.一种自动增压装置其特征在于一个双级气缸内有一个浮动活塞1，活塞和气缸形成4个容腔，容腔之间通过密封隔离，其中二个气室用于驱动浮动活塞，二个气室用于压缩空气。
2.如权利要求1所述的自动增压装置其特征在于浮动活塞用于驱动的活塞面积与用于压缩的活塞面积之比m，决定了压缩空气的压力，m>1可使压缩空气的压力大于管路上游压力。
3.如权利要求1所述的自动增压装置其特征在于双级气缸的两个气室分别与两个换向阀的出口联通，两个换向阀的进口与管路的上下游联通，用于驱动浮动活塞运动。
4.如权利要求1所述的自动增压装置其特征在于双级气缸2的一端，装有先导阀8，其进气口与管路的上下游相连，在浮动活塞1内，装有一个机械反馈杆7，反馈杆7与先导阀8的阀芯相连，当浮动活塞1运动到极限位置时，机械反馈杆7拉动先导阀8的阀芯换向。
5.如权利要求3和4所述的自动增压装置其特征在于一个换向阀的气控口与先导阀的出口相连，出气口与另一个换向阀的气控口相连。
6.如权利要求1所述的自动增压装置其特征在于双级气缸上装有单向阀，在负责压缩空气的气室成对安装，一个用于单向输出气体，一个用于单向吸入气体。
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