Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absperren und Freigeben eines Gasstroms gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ist auch mit Vorteil in Vorrichtungen anwendbar, welche zusätzlich zur Regelung des Gasstroms geeignet sind.
Eine derartige Vorrichtung ist z.B. aus der DE 4 038 445 A1 bekannt. Dort ist eine Absperreinrichtung beschrieben mit einem Stellglied, das durch eine Membran in einer Druckkammer betätigt wird, welche Membran die Druckkammer in ein Druckvolumen teilt, das mit dem Stelldruck beaufschlagt wird und ein Restvolumen, das offenbar dem in der Umgebung herrschenden Luftdruck ausgesetzt ist. Eine Rückstellfeder übt dagegen auf die Membran eine in Schliessrichtung wirkende Kraft aus. Da beim Schliessen des Stellglieds der Druck im Druckvolumen über eine Rückführungsleitung mit einem Abschaltventil, welche stromabwärts des Stellglieds in die Gasleitung mündet, abgebaut wird, ist er ähnlichen Schwankungen ausgesetzt wie der an dieser Stelle in der Gasleitung herrschende Druck. Der Druck im Restvolumen ist dagegen vom Druck in der Gasleitung unabhängig.
Es ist also zu erwarten, dass Druckdifferenzen zwischen dem Druckvolumen und dem Restvolumen, die das Schliessen des Stellglieds beeinflussen, in nicht vorhersehbarer Weise schwanken, was sich negativ auf Zuverlässigkeit und Gleichförmigkeit der Schliessvorgänge auswirkt.
Das Problem verschärft sich, falls der Absperreinrichtung eine im wesentlichen gleich aufgebaute Absperr- und Regeleinrichtung nachgeschaltet ist, welche ausserdem ein Ventil umfasst, das den Stelldruck und damit die Stellung des Stellglieds der Absperr- und Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom Druck in der Gasleitung stromabwärts des besagten Stellglieds regelt.
Sollen sowohl die Absperreinrichtung als auch die Absperr- und Regeleinrichtung durch einen Abschaltbefehl, welcher die simultane \ffnung der jeweiligen Abschaltventile und gewöhnlich auch die simultane Schliessung von Steuerventilen bewirkt, über die der Stelldruck aufgebaut wird, geschlossen werden, so kann leicht die Schliessung des Stellglieds der Absperr- und Regeleinrichtung - etwa aus einer Zwischenstellung heraus - rascher erfolgen, sodass sich zwischen demselben und dem noch nicht geschlossenen Stellglied der Absperreinrichtung ein verhältnismässig hoher Druck aufbaut, der einen ausreichenden Druckabbau im Druckvolumen über die Rückführungsleitung der Absperreinrichtung verhindert, sodass das Stellglied derselben nicht oder jedenfalls nicht dicht geschlossen wird, da die Kraft der Rückstellfeder dann nicht ausreicht,
das Stellglied gegen den hohen Druck im Druckvolumen zu schliessen.
Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, schafft eine Vorrichtung zum Absperren und Freigeben oder zum Absperren, Freigeben und Regeln eines Gasstroms, welche ein zuverlässiges und von Parametern wie dem Druck in der Gasleitung unabhängiges Schliessverhalten gewährleistet. Die dadurch erzielten Vorteile liegen vor allem in der gerade bei Gasversorgungssystemen entscheidend wichtigen Sicherheit, mit der Schliessvorgänge ablaufen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche nur Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 das Schaltbild einer Absperreinrichtung mit nachgeschalteter Absperr- und Regeleinrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 das Schaltbild einer Absperreinrichtung mit nachgeschalteter Absperr- und Regeleinrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform, und
Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch ein Stellglied mit integrierter Druckkammer, entsprechend einer speziellen Ausführung eines Teils der Absperreinrichtung oder der Absperr- und Regeleinrichtung.
Zum Absperren und Freigeben eines Gasstroms in einer Gasleitung 1 umfasst die Vorrichtung gemäss Fig. 1 eine Absperreinrichtung 2 mit einem in die Gasleitung 1 eingebauten Stellglied 3, welches über einen Stössel 4 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 5 durch eine Membran 6 geöffnet werden kann. Die Membran 6 teilt eine Druckkammer 7 in ein Druckvolumen 8 und ein Restvolumen 9.
Eine Stelldruckleitung 10 zweigt stromaufwärts des Stellglieds 3 von der Gasleitung 1 ab und führt über ein Steuerventil 11, ein Filter 12 und einen als Druckverstärker, der eine positive Druckdifferenz zum Druck in der Gasleitung 1 erzeugt, wirkenden Kompressor 13 sowie eine Drossel 14 zum Druckvolumen 8.
Die Absperreinrichtung 2 umfasst weiter eine Rückführungsleitung 15, die das Druckvolumen 8 über ein Abschaltventil 16 stromabwärts des Stellglieds 3 mit der Gasleitung 1 verbindet. Eine vom Restvolumen 9 ausgehende Ausgleichsleitung 17 mündet zwischen dem Abschaltventil 16 und der Gasleitung 1, d.h. stromabwärts des Abschaltventils 16 in die Rückführungsleitung 15. Sie könnte auch in die Gasleitung 1 münden. Entscheidend ist, dass die Ausgleichsleitung 17 bei offenem Abschaltventil 16 einen raschen Druckausgleich zwischen dem Druckvolumen 8 und dem Restvolumen 9 ermöglicht.
Stromabwärts der Absperreinrichtung 2 ist eine Absperr- und Regeleinrichtung 18 vorgesehen, welche mit einem weiteren Stellglied 3 min , einem Stössel 4 min und einer Rückstellfeder 5 min sowie einer weiteren Druckkammer 7 min mit Membran 6 min , Druckvolumen 8 min und Restvolumen 9 min , einer Rückführungsleitung 15 min mit Abschaltventil 16 min sowie einer Ausgleichsleitung 17 min im wesentlichen gleich wie die Absperreinrichtung 2 aufgebaut ist. Die Druckkammer 7 min wird von einer Zuleitung 10 min gespeist, die stromabwärts des Kompressors 13 von der Stelldruckleitung 10 abzweigt und über ein Steuerventil 11 min und eine Drossel 14 min zum Druckvolumen 8 min führt. Das Steuerventil 11 min kann auch zur weiteren Erhöhung der Redundanz stromaufwärts der Abzweigung der Zuleitung 10 min in der Stelldruckleitung 10 angeordnet sein.
Zusätzlich weist die Absperr- und Regeleinrichtung 18 ein Regelelement 19 auf mit einem auf einer Seite von einer Membran 20 begrenzten Volumen, welches durch eine Druckleitung 21 stromabwärts des Stellglieds 3 min und der Mündung der Rückführungsleitung 15 min mit der Gasleitung 1 und durch eine Regelleitung 22 mit dem Druckvolumen 8 min der Druckkammer 7 min verbunden ist. Die Membran 20, welche durch eine Sollwertfeder 23 mit einer Kraft beaufschlagt ist, betätigt ein Ventil 24 an der Mündung der Regelleitung 22.
Falls im Druckvolumen 8 der Absperreinrichtung 2 kein Stelldruck anliegt, so wird das Stellglied 3 durch die Rückstellfeder 5 über den Stössel 4 in geschlossenem Zustand gehalten. Ist das Steuerventil 11 offen und der Kompressor 13 eingeschaltet, so wird, wenn das Abschaltventil 16 geschlossen ist, im Druckvolumen 8 ein Stelldruck Ps aufgebaut, welcher die Membran 6 und damit den Stössel 5 nach unten drückt und das Stellglied 3 öffnet. Dabei wird der durch Strömungsverluste am Stellglied 3 hervorgerufene Druckabfall ausgenützt, sodass eine verhältnismässig geringe Verstärkung des Eingangsdrucks Pe durch den Kompressor 13 zur Erzeugung eines ausreichenden Stelldrucks ausreicht.
Es ist auch möglich, die Rückführungsleitung 15 und die Ausgleichsleitung 17 stromabwärts des Stellglieds 3 min in die Gasleitung 1 münden zu lassen und damit den kumulierten Druckabfall an beiden Stellgliedern 3, 3 min auszunützen. So zeigt Fig. 2 eine Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1, bei welcher die Rückführungsleitung 15 der Absperreinrichtung 2 in die Rückführungsleitung 15 min der Regel- und Absperreinrichtung 18 mündet.
Die Absperr- und Regeleinrichtung 18 funktioniert im wesentlichen gleich wie die Absperreinrichtung 2. Übersteigt jedoch bei geschlossenem Abschaltventil 16 min der Ausgangsdruck Pa, der stromabwärts des Stellglieds 3 min herrscht und über die Druckleitung 21 zum Regelelement 19 übertragen wird, einen Sollwert, so wird die Membran 20 gegen die Kraft der Sollwertfeder 23 nach oben gedrückt und öffnet das Ventil 24. Über die Regelleitung 22 und die Druckleitung 21 kann nun Gas aus dem Druckvolumen 8 min abströmen, sodass sich der Druck dort vermindert und die Membran 6 min durch die Rückstellfeder 5 min angehoben wird und die Stellung des Stellglieds 3 min sich der Schliessstellung nähert. Dies erhöht den Strömungswiderstand des Stellglieds 3 min und verursacht einen Abfall des Ausgangsdrucks Pa.
Unterschreitet derselbe den Sollwert, so schliesst das Ventil 24, und der Druck im Druckvolumen 8 min wird über die Zuleitung 10 min erhöht, sodass das Stellglied 3 min weiter geöffnet wird. Auf diese Weise wird der Ausgangsdruck Pa innerhalb eines Regelbereichs um den Sollwert gehalten.
Ist das Stellglied 3 offen und soll geschlossen werden, so wird durch einen Abschaltbefehl das Abschaltventil 16 geöffnet und das Steuerventil 11 geschlossen. Dadurch baut sich der Druck in der Druckkammer 8 rasch ab und die Membran 6 wird durch die Rückstellfeder 5 angehoben und schliesst über den Stössel 4 das Stellglied 3. Dank der Ausgleichsleitung 17 wirkt bei offenem Abschaltventil 16 auf beiden Seiten der Membran 6 der gleiche Druck, sodass die rasche und vollständige Schliessung des Stellglieds 3 durch die Rückstellfeder 5 sichergestellt ist und nicht durch einen Überdruck im Druckvolumen 8 gegenüber dem Restvolumen 9 behindert werden kann. Die Schliessung des Stellglieds 3 min funktioniert analog.
Gewöhnlich sollen die beiden Stellglieder 3, 3 min zugleich geschlossen werden. Ist das Stellglied 3 min nur teilweise offen und schliesst daher rascher als das ganz offene Stellglied 3, so baut sich in der Gasleitung 1 zwischen den beiden Stellgliedern 3, 3 min ein verhältnismässig hoher Druck auf, der sich dem Eingangsdruck Pe annähert und der über die Rückführungsleitung 15 in das Druckvolumen 8 übertragen wird und auf die Membran 6 zurückwirkt. Auch in diesem Fall wird jedoch durch die Ausgleichsleitung 17 sichergestellt, dass das Stellglied 3 ohne weiteres durch die Rückstellfeder 5 geschlossen werden kann.
Statt wie in Fig. 1, 2 dargestellt, kann die Absperr- und Regeleinrichtung auch stromaufwärts der Absperreinrichtung in die Gasleitung eingebaut sein. Dies ermöglicht etwa zweistufigen Betrieb, falls die Absperreinrichtung eine z.B. von Hand einstellbare Zwischenstellung mit festem Strömungswiderstand zulässt. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, auch die zur stromaufwärts angeordneten Einrichtung gehörige Rückführungsleitung direkt oder indirekt stromabwärts beider Stellglieder in die Gasleitung münden zu lassen. Die Druckleitung, die zur Regelung des Ausgangsdrucks der Absperr- und Regeleinrichtung das Ventil mit der Gasleitung verbindet, muss in diesem Fall zwischen den Stellgliedern in die Gasleitung münden.
Eine Ausführung des Stellglieds 3, bei der die Druckkammer 7 in dasselbe integriert ist und die Ausgleichsleitung entfällt, ist in Fig. 3 dargestellt.
In einem Gehäuse 25 ist ein Ventilsitz 26 eingebaut, an welchem eine Durchflussöffnung 27 des Stellglieds durch einen Ventilteller 28 verschlossen ist. Im stromabwärts des Ventiltellers 28 gelegenen Teil der Durchflussöffnung 27 ist die Membran 6 eingebaut, welche das Druckvolumen 8 von der Durchflussöffnung 27 abtrennt und durch den Stössel 4 mit dem Ventilteller 28 verbunden ist. Das Restvolumen 9 ist somit in die Durchflussöffnung 27 integriert. Das Druckvolumen 8 ist an die Stelldruckleitung 10 angeschlossen und über die Rückführungsleitung 15 mit dem Abschaltventil 16 mit dem stromabwärts des Stellglieds liegenden Teil der Gasleitung 1 verbunden. Der Ventilteller 28 wird von der im stromaufwärts des Ventilsitzes 26 liegenden Teil der Durchflussöffnung 27 angeordneten, am Gehäuse 25 abgestützten Rückstellfeder 5 mit einer gegen den Ventilsitz 26 gerichteten Kraft beaufschlagt.
Ein derartiges mit der Druckkammer integriertes Stellglied 3 kann sowohl in einer Absperreinrichtung als auch in einer Absperr- und Regeleinrichtung eingesetzt werden und z.B. in den in Fig. 1, 2 dargestellten Vorrichtungen jeweils die Stellglieder 3, 3 min , die Druckkammern 7, 7 min und die Ausgleichsleitungen 17, 17 min oder jeweils eine dieser Kombinationen ersetzen.
The invention relates to a device for shutting off and releasing a gas flow according to the preamble of claim 1. It can also be used advantageously in devices which are additionally suitable for regulating the gas flow.
Such a device is e.g. known from DE 4 038 445 A1. There, a shut-off device is described with an actuator which is actuated by a membrane in a pressure chamber, which membrane divides the pressure chamber into a pressure volume to which the signal pressure is applied and a residual volume which is apparently exposed to the air pressure prevailing in the environment. A return spring, on the other hand, exerts a force acting in the closing direction on the membrane. Since the pressure in the pressure volume is reduced when the actuator is closed via a return line with a shut-off valve which opens into the gas line downstream of the actuator, it is exposed to fluctuations similar to the pressure prevailing at this point in the gas line. The pressure in the remaining volume is independent of the pressure in the gas line.
It can therefore be expected that pressure differences between the pressure volume and the remaining volume, which influence the closing of the actuator, fluctuate in an unpredictable manner, which has a negative effect on the reliability and uniformity of the closing processes.
The problem is exacerbated if the shut-off device is followed by an essentially identically constructed shut-off and control device, which also includes a valve which controls the signal pressure and thus the position of the actuator of the shut-off and control device as a function of the pressure in the gas line downstream of said Actuator controls.
If both the shut-off device and the shut-off and control device are to be closed by a shutdown command, which causes the respective shutdown valves to open simultaneously and usually also the simultaneous closing of control valves via which the signal pressure is built up, then the actuator can be closed easily the shut-off and control device - for example from an intermediate position - take place more quickly, so that a relatively high pressure builds up between the same and the not yet closed actuator of the shut-off device, which prevents sufficient pressure reduction in the pressure volume via the return line of the shut-off device, so that the actuator of the same is not closed, or at least not tightly, since the force of the return spring is then insufficient,
to close the actuator against the high pressure in the pressure volume.
The invention is intended to remedy this. The invention, as characterized in the claims, provides a device for shutting off and releasing or for shutting off, releasing and regulating a gas flow, which ensures reliable closing behavior which is independent of parameters such as the pressure in the gas line. The advantages achieved in this way lie above all in the safety, which is of crucial importance in gas supply systems in particular, with which closing processes take place.
The invention is explained in more detail below with reference to figures which only show exemplary embodiments. Show it
1 shows the circuit diagram of a shut-off device with a downstream shut-off and control device according to a first embodiment,
2 shows the circuit diagram of a shut-off device with a downstream shut-off and control device according to a second embodiment, and
Fig. 3 shows schematically a section through an actuator with an integrated pressure chamber, corresponding to a special embodiment of part of the shut-off device or the shut-off and control device.
To shut off and release a gas flow in a gas line 1, the device according to FIG. 1 comprises a shut-off device 2 with an actuator 3 built into the gas line 1, which can be opened by a plunger 4 against the force of a return spring 5 through a membrane 6. The membrane 6 divides a pressure chamber 7 into a pressure volume 8 and a residual volume 9.
An actuating pressure line 10 branches upstream of the actuator 3 from the gas line 1 and leads via a control valve 11, a filter 12 and a compressor 13, which acts as a pressure booster and generates a positive pressure difference to the pressure in the gas line 1, and a throttle 14 to the pressure volume 8 .
The shut-off device 2 further comprises a return line 15, which connects the pressure volume 8 to the gas line 1 via a shut-off valve 16 downstream of the actuator 3. A compensating line 17 starting from the residual volume 9 opens between the shut-off valve 16 and the gas line 1, i.e. downstream of the shut-off valve 16 into the return line 15. It could also open into the gas line 1. It is crucial that the compensating line 17 enables rapid pressure equalization between the pressure volume 8 and the residual volume 9 when the shut-off valve 16 is open.
Downstream of the shut-off device 2, a shut-off and control device 18 is provided, which with a further actuator 3 min, a plunger 4 min and a return spring 5 min and a further pressure chamber 7 min with a membrane 6 min, pressure volume 8 min and residual volume 9 min, one Return line 15 min with shut-off valve 16 min and a compensating line 17 min essentially the same as the shut-off device 2 is constructed. The pressure chamber 7 min is fed by a feed line 10 min, which branches off downstream of the compressor 13 from the signal pressure line 10 and leads via a control valve 11 min and a throttle 14 min to the pressure volume 8 min. The control valve 11 min can also be arranged in the signal pressure line 10 upstream of the branching of the supply line 10 min to further increase the redundancy.
In addition, the shut-off and control device 18 has a control element 19 with a volume delimited on one side by a membrane 20, which flows through a pressure line 21 downstream of the actuator 3 min and the mouth of the return line 15 min with the gas line 1 and through a control line 22 is connected to the pressure volume 8 min of the pressure chamber 7 min. The membrane 20, which is acted upon by a setpoint spring 23, actuates a valve 24 at the mouth of the control line 22.
If there is no signal pressure in the pressure volume 8 of the shut-off device 2, the actuator 3 is held in the closed state by the return spring 5 via the plunger 4. If the control valve 11 is open and the compressor 13 is switched on, when the shut-off valve 16 is closed, a control pressure Ps is built up in the pressure volume 8, which presses the membrane 6 and thus the plunger 5 downwards and opens the actuator 3. In this case, the pressure drop caused by flow losses at the actuator 3 is used, so that a relatively small increase in the inlet pressure Pe by the compressor 13 is sufficient to generate a sufficient signal pressure.
It is also possible to allow the return line 15 and the equalization line 17 to flow into the gas line 1 downstream of the actuator 3 min and thus to utilize the accumulated pressure drop at both actuators 3, 3 min. 2 shows a modification of the device according to FIG. 1, in which the return line 15 of the shut-off device 2 opens into the return line 15 min of the regulating and shut-off device 18.
The shut-off and control device 18 functions essentially the same as the shut-off device 2. However, if the shut-off valve closes 16 min, the output pressure Pa, which prevails 3 min downstream of the actuator and is transmitted to the control element 19 via the pressure line 21, becomes a setpoint Diaphragm 20 is pressed upwards against the force of setpoint spring 23 and opens valve 24. Gas can now flow out of the pressure volume 8 min via control line 22 and pressure line 21, so that the pressure there decreases and the diaphragm 6 min through return spring 5 min is raised and the position of the actuator approaches the closed position for 3 min. This increases the flow resistance of the actuator for 3 minutes and causes the outlet pressure Pa to drop.
If it falls below the setpoint, the valve 24 closes and the pressure in the pressure volume 8 min is increased via the supply line for 10 min, so that the actuator is opened 3 min. In this way, the outlet pressure Pa is kept within a control range around the setpoint.
If the actuator 3 is open and is to be closed, the shutoff valve 16 is opened and the control valve 11 is closed by a shutdown command. As a result, the pressure in the pressure chamber 8 rapidly decreases and the diaphragm 6 is raised by the return spring 5 and closes the actuator 3 via the tappet 4. Thanks to the compensating line 17, the same pressure acts on both sides of the diaphragm 6 when the shut-off valve 16 is open, so that the quick and complete closure of the actuator 3 is ensured by the return spring 5 and cannot be hindered by an overpressure in the pressure volume 8 compared to the residual volume 9. The closing of the actuator 3 minutes works analogously.
Usually the two actuators 3, 3 min should be closed at the same time. If the actuator is only partially open for 3 min and therefore closes more quickly than the fully open actuator 3, a relatively high pressure builds up in the gas line 1 between the two actuators 3, 3 min, which approximates the inlet pressure Pe and which over Return line 15 is transferred into the pressure volume 8 and reacts on the membrane 6. In this case too, however, the compensating line 17 ensures that the actuator 3 can be closed by the return spring 5 without further notice.
Instead of as shown in Fig. 1, 2, the shut-off and control device can also be installed upstream of the shut-off device in the gas line. This enables approximately two-stage operation if the shut-off device is e.g. manually adjustable intermediate position with fixed flow resistance. In this case too, it is advantageous to have the return line belonging to the upstream device also lead directly or indirectly downstream of both actuators into the gas line. In this case, the pressure line that connects the valve to the gas line to regulate the outlet pressure of the shut-off and control device must open into the gas line between the actuators.
An embodiment of the actuator 3, in which the pressure chamber 7 is integrated in the same and the compensation line is omitted, is shown in FIG. 3.
A valve seat 26 is installed in a housing 25, on which a flow opening 27 of the actuator is closed by a valve plate 28. In the part of the flow opening 27 located downstream of the valve plate 28, the membrane 6 is installed, which separates the pressure volume 8 from the flow opening 27 and is connected to the valve plate 28 by the tappet 4. The residual volume 9 is thus integrated into the flow opening 27. The pressure volume 8 is connected to the signal pressure line 10 and is connected via the return line 15 to the shut-off valve 16 to the part of the gas line 1 located downstream of the actuator. The valve plate 28 is acted upon by a restoring spring 5, which is arranged in the upstream of the valve seat 26 of the flow opening 27 and is supported on the housing 25, and is directed against the valve seat 26.
Such an actuator 3 integrated with the pressure chamber can be used both in a shut-off device and in a shut-off and control device and e.g. In the devices shown in FIGS. 1, 2, the actuators 3, 3 min, the pressure chambers 7, 7 min and the compensating lines 17, 17 min or each of these combinations are replaced.