Как управлять эффектом давления подачи (SPE) в редукционных регуляторах, используемых для поддержания контроля давления газа в промышленных газовых системах

Как управлять эффектом давления подачи (SPE) в редукционных регуляторах, используемых в промышленных газовых системах

Ваутер Пронк, старший инженер по эксплуатации, Swagelok

Операторы жидкостных систем, управляющие технологической линией от источника газового баллона, могут иногда без видимой причины наблюдать явление увеличения выходного давления в редукционном регуляторе. Когда цилиндр опорожняется, давление на входе в регулятор уменьшается. Многие квалифицированные специалисты ожидали бы, что давление на выходе одновременно снизится, но вместо этого давление на выходе возрастает. Это явление известно как эффект давления подачи (SPE).

Что такое эффект давления подачи (SPE)?

Влияние давления на входе, также называемое зависимостью на входе, определяется как изменение давления на выходе из-за изменения давления на входе или на входе. При этом явлении изменения входного и выходного давления обратно пропорциональны друг другу. Если давление на входе уменьшится, будет соответствующее увеличение давления на выходе. И наоборот, если давление на входе увеличивается, давление на выходе уменьшается.

SPE регулятора обычно предоставляется производителем. SPE обычно изображается как отношение или процент, описывающий изменение выходного давления на изменение входного давления. Например, если регулятор описан как имеющий 1:100 или 1 % SPE, на каждые 100 psi падение давления на входе, давление на выходе увеличится на 1 psi . Степень изменения давления на выходе регулятора можно оценить по следующей формуле:

Несбалансированная и сбалансированная конструкция тарельчатого клапана в пружинных регуляторах

Одним из наиболее распространенных типов регуляторов является подпружиненный редукционный регулятор. Пружина прикладывает усилие к чувствительному элементу, либо к диафрагме, либо к поршню, который управляет тарелкой над отверстием, тем самым контролируя выходное давление.

В несбалансированной конструкции тарелки входное давление давит на тарелку и оказывает давление на часть тарелки, равную площади седла. В результате любое снижение давления на входе означает, что на тарелку будет воздействовать меньшее усилие, что позволит сильной установленной пружине отодвинуть тарелку немного дальше от седла, тем самым увеличивая выходное давление. Это результирующее повышение выходного давления недостаточно сильно, чтобы полностью уравновесить установленное усилие пружины, чтобы закрыть тарелку в исходное положение. Результатом является увеличение выходного давления из-за SPE.

Поскольку регуляторы работают на балансе сил, количество SPE может быть определено соотношением площадей, на которые воздействует давление на тарелку и чувствительные поверхности. Это означает, что регуляторы с большими чувствительными площадями и маленькими тарелками будут иметь самый низкий SPE, а регуляторы с малыми чувствительными областями и большими тарельчатыми клапанами будут иметь самый высокий SPE.

Чтобы продемонстрировать влияние несбалансированной конструкции тарелки на SPE, постепенно уменьшайте давление на входе. При входном давлении 1160 фунтов на кв. дюйм (80 бар) , давление на выходе составляет 43,5 фунта на кв. дюйм (3 бар). . Но когда давление на входе снижается до 870 фунтов на кв. дюйм (60 бар) , давление на выходе подскакивает до 53,7 фунтов на кв. дюйм (3,7 бар) . Поскольку давление на входе действует на всю поверхность неуравновешенного тарелки, любое изменение давления на входе приводит к значительному изменению силы, вызывая больший сдвиг в балансе сил внутри регулятора.

Общим методом снижения влияния давления подачи, особенно в системах с более высоким расходом, где тарелки обычно больше, является использование регулятора со сбалансированной конструкцией тарелки. Цель этой конструкции регулятора состоит в том, чтобы свести к минимуму площадь, на которую может воздействовать высокое давление на входе. Это достигается за счет того, что более низкое выходное давление достигает части нижней части тарелки через отверстие, которое проходит вертикально вдоль тарелки и уплотняется уплотнительным кольцом вокруг нижнего штока тарелки. С точки зрения SPE любое изменение давления на входе приведет к меньшему изменению силы, поскольку давление воздействует на гораздо меньшую площадь.

Чтобы продемонстрировать, как SPE влияет на сбалансированный тарельчатый регулятор, представьте себе постепенное уменьшение давления на входе, как показано ранее для несбалансированной конструкции тарельчатого клапана. Как и прежде, при давлении на входе 1160 фунтов на кв. дюйм (80 бар). , давление на выходе составляет 43,5 фунта на кв. дюйм (3 бар). . Однако при снижении входного давления до 870 фунтов на кв. дюйм (60 бар) , давление на выходе увеличивается только до 46,4 фунтов на кв. дюйм (3,2 бар) . Фактически, даже при давлении на входе 725 фунтов на кв. дюйм (50 бар) , давление на выходе продолжает оставаться постоянным на уровне 46,4 фунта на кв. дюйм (3,2 бар) .

Обратите внимание, как влияние сбалансированного тарельчатого регулятора на выходное давление уменьшается по сравнению с предыдущим расположением регулятора. Дополнительным преимуществом сбалансированных тарельчатых регуляторов является их способность уменьшать блокировку — склонность тарельчатого клапана к резкому закрытию при снижении потока ниже по потоку до нуля. Чрезмерная блокировка нежелательна, поскольку она может вызвать скачок выходного давления при быстром закрытии тарелки. Тем не менее, SPE всегда будет присутствовать в регуляторах, используемых в газовых системах, независимо от конструкции тарелки. Даже если тарельчатый клапан/клапан закрывается очень медленно, будь то в динамическом или статическом процессе с потоком или без потока, произойдет ТПЭ. После замены пустого баллона на полный заданное давление на выходе будет другим. Обдуманные дизайнерские решения могут просто помочь уменьшить эффект.

Одноэтапное и двухэтапное регулирование

Двухступенчатое снижение давления является хорошим решением для минимизации влияния давления подачи практически в любой области применения. Этот метод предполагает установку двух одноступенчатых регуляторов последовательно или объединение регуляторов в один узел. Двухступенчатый регулятор, например Swagelok ^® Регулятор серии KCY, обеспечивающий двухступенчатое снижение давления в одном корпусе, является хорошим вариантом для приложений с низким расходом, таких как аналитические контрольно-измерительные системы. Каждый регулятор в определенной степени регулирует изменение давления на входе, но вместе два регулятора поддерживают давление на выходе очень близким к исходному заданному значению.

Чтобы рассчитать изменчивость выходного давления для двухступенчатого регулятора, разность входных давлений умножается на SPE каждого регулятора. Это показано в следующем уравнении:

Имейте в виду, что SPE представляет собой обратную зависимость между переменными входного и выходного давления. Регулятор первой ступени столкнется с повышением выходного давления по мере опустошения газового баллона и снижения входного давления. Это увеличение будет передано на вторую ступень и приведет к последующему уменьшению на выходе регулятора второй ступени. Поскольку регулятор первой ступени испытывает большое изменение на входе и дает меньшее изменение на выходе, регулятор второй ступени реагирует только на небольшое изменение на входе по сравнению с первой ступенью и показывает минимальное снижение давления на стороне выхода. Как только давление на входе упадет ниже установленного давления регулятора первой ступени, установка будет работать как система одноступенчатого регулятора.

Чтобы продемонстрировать влияние давления подачи, в приведенном ниже примере используется редукционный регулятор давления модели KCY. Газовый баллон опорожняется при 2500 фунтов на кв. дюйм (172 бар). до 500 фунтов на кв. дюйм (34 бара) . Предположим, что каждый регулирующий орган имеет 1% SPE. . С 2000 фунтов на кв. дюйм (137 бар) падение давления на входе, регулятор первой ступени будет испытывать давление 20 фунтов на кв. дюйм (1,3 бар) увеличение выходного давления. В результате этого увеличения регулятор второй ступени будет испытывать давление всего 0,20 фунта на кв. дюйм (0,01 бар). снижение выходного давления. Обратите внимание, как резко уменьшилось влияние на давление на выходе по сравнению с предыдущими схемами регулятора.

С точки зрения контроля влияния давления подачи двухступенчатый регулятор обычно обеспечивает лучший результат, чем одиночный редукционный регулятор со сбалансированным тарельчатым клапаном. В приложении, использующем один газовый баллон для выполнения нескольких операций при одном и том же давлении на выходе, может быть достаточно любого варианта.

С другой стороны, приложения, которым требуется газовый баллон для выполнения нескольких операций с разным давлением, потребуют использования двух одноступенчатых регуляторов для создания двухступенчатой ​​системы регуляторов. В этом случае установите регулятор первой ступени рядом с газовым баллоном, а регулятор второй ступени на каждой технологической линии или в месте использования. Чтобы свести к минимуму SPE, системы часто строятся с двухступенчатым регулятором на источнике подачи газа и одноступенчатым регулятором на месте использования. Эта чрезмерная настройка сводится к трехступенчатому регулированию, которое не требуется для большинства приложений. Два последовательно соединенных одноступенчатых регулятора обеспечат минимальное значение SPE при меньших затратах.

Подробнее об одно- и двухступенчатом регулировании давления:

Преимущества инженерных систем газораспределения

Еще одним вариантом управления SPE является использование полностью собранной и протестированной системы газораспределения, состоящей из модульных подсистем, спроектированных и сконфигурированных специально для удовлетворения потребностей вашего приложения. В этих системах:

• Модуль ввода источника, например Swagelok ^® вход источника (SSI) или входная панель источника устанавливает соединение между источником газа высокого давления и системой распределения. Для одного газового баллона сборка может быть такой же простой, как шланг и соединитель, в то время как для нескольких баллонов может потребоваться коллектор, включающий несколько шлангов и клапанов. Эти впускные отверстия можно гибко настраивать для продувки или выпуска газов при смене баллонов, что повышает безопасность оператора, или создавать вентиляцию отдельных линий для максимального увеличения времени безотказной работы.
• Газовая панель, например Swagelok ^® газовая панель (SGP), завершает первое снижение давления исходного газа и обеспечивает его подачу с правильным расходом на следующую ступень системы. Это часть газораспределительной системы, где лучше всего контролировать ТФЭ. Снижение давления осуществляется либо в одну ступень с одним регулятором давления, либо в две ступени с помощью двойного регулятора давления. Эти газовые панели просты в обслуживании, так как любая часть может быть отсоединена, и панель никогда не нужно снимать. Использование SGP с двухступенчатым регулятором — очень надежный способ снижения SPE.
• Система автоматического переключения, такая как Swagelok ^® Подсистема переключения (SCO) переключает с одного источника газа на другой для обеспечения бесперебойной подачи. Два регулятора давления с установочными ручками соединены друг с другом, но управляют входом от отдельных источников подачи газа (состоящих из одного или нескольких газовых баллонов). Один регулятор настроен на более низкое давление, чем другой, причем один, настроенный на более высокое давление, первоначально подает газ к общему выходному соединению, а другой, настроенный на более низкое давление, подает газ после того, как закончится подача газа регулятора с более высокой настройкой. При повороте установочной рукоятки на 180° настройки давления двух регуляторов меняются местами, что позволяет заменять пустые баллоны, пока система продолжает работать. Хорошо спроектированные подсистемы переключения позволят вам указать уставки переключения, чтобы уменьшить потери газа, оставшегося в баллонах.
• Наконец, система по месту использования, такая как Swagelok ^® Блок точки использования (SPU) обеспечивает заключительный этап контроля давления перед использованием газа. Эти системы обычно включают в себя регулятор, манометр и запорный клапан и предлагают удобный и точный метод регулировки давления в соответствии с потребностями приложения.

Заключение

С регулятором, контролирующим давление на выходе из газового баллона, эффект давления подачи всегда будет присутствовать. Всякий раз, когда происходит изменение давления на входе, будет соответствующее изменение давления на выходе. Вы можете свести к минимуму влияние давления подачи для многих приложений, используя одноступенчатый регулятор со сбалансированной конструкцией тарельчатого клапана, используя двухступенчатый регулятор или используя полностью настраиваемые газовые панели, подобные тем, которые доступны через Swagelok ^{® программа газораспределения. Если ваш источник газа обслуживает несколько операций с разными требованиями к давлению, вам может понадобиться несколько одноступенчатых регуляторов — один рядом с источником газа и еще один на каждой технологической линии — или вы можете использовать предварительно собранные подсистемы распределения газа, предназначенные для эффективной работы в этих случаях.}

Нужна помощь в выборе подходящего регулятора для ваших жидкостных систем? Мы можем помочь вам найти решения для улучшения операций на основе ваших уникальных систем. Консультанты по системам газораспределения готовы оценить ваши существующие газораспределительные системы и определить возможности для улучшения, а сотрудники вашего местного центра продаж и обслуживания Swagelok также могут проконсультировать вас по выбору компонентов. Для получения дополнительной информации обращайтесь по ссылке ниже.