Управление эффектом давления питания в промышленных редукторах снижения для стабильного контроля давления газа

Как управлять эффектом давления питания (SPE) в редукторах снижения давления, используемых в промышленных газовых системах

Воутер Пронк, старший полевой инженер, Swagelok

Операторы жидкостных систем, запускающие процессную линию от источника газовых баллонов, могут иногда наблюдать явление повышения выходного давления в редукторе снижения давления без видимой причины. По мере опорожнения баллона входное давление к редуктору снижается. Многие квалифицированные техники ожидали бы, что выходное давление снизится одновременно, но вместо этого выходное давление растет. Это явление известно как эффект давления питания (Supply Pressure Effect, SPE).

Что такое эффект давления питания (SPE)?

Эффект давления питания, также называемый входной зависимостью, определяется как изменение выходного давления из-за изменения входного, или питания, давления. Под этим явлением изменения входного и выходного давления обратно пропорциональны друг другу. Если входное давление снижается, будет соответствующее повышение выходного давления. И наоборот, если входное давление повышается, выходное давление снижается.

SPE редуктора обычно предоставляется производителем. SPE обычно изображается как отношение или процент, описывающий изменение выходного давления на изменение входного давления. Например, если редуктор описан как имеющий 1:100 или 1% SPE, на каждые 100 psi падения входного давления, выходное давление увеличится на 1 psi. Степень вариации выходного давления для редуктора может быть оценена с помощью следующей формулы:

ΔP_out = ΔP_in × SPE

Невязка vs Балансированный дизайн клапана в пружинных редукторах

Один из самых распространенных типов редукторов — пружинный редуктор снижения давления. Пружина прилагает силу к чувствительному элементу, либо диафрагме, либо поршню, который контролирует клапан над отверстием — поэтому контролируя выходное давление.

В дизайне с небалансированным клапаном, входное давление давит на клапан и прилагает давление к части клапана, равной площади седла. В результате любое снижение входного давления означает, что меньше силы давит на клапан, позволяя сильной нагрузочной пружине толкнуть клапан немного дальше от седла — тем самым повышая выходное давление. Этот результирующий рост выходного давления не достаточно силен, чтобы полностью противобалансировать силу нагрузочной пружины, чтобы закрыть клапан в его исходную позицию. Результат — повышение выходного давления из-за SPE.

Поскольку редукторы работают на балансе сил, величина SPE может быть определена отношением площадей, на которых давление действует на клапан и чувствительные площади. То есть редукторы с большими чувствительными площадями и маленькими клапанами будут иметь самый низкий SPE, а те с маленькими чувствительными площадями и большими клапанами — самый высокий SPE.

Чтобы продемонстрировать эффект дизайна с небалансированным клапаном на SPE, постепенно снижайте входное давление. При входном давлении 1160 psig (80 бар), выходное давление 43,5 psig (3 бар). Но когда входное давление снижается до 870 psig (60 бар), выходное давление скачет до 53,7 psig (3,7 бар). Поскольку входное давление действует на всю поверхность небалансированного клапана, любое изменение входного давления производит большое изменение силы, движущее больший сдвиг в балансе сил внутри редуктора.

Распространенный метод снижения эффекта давления питания, особенно в приложениях с высоким расходом, где клапаны обычно больше, — использовать редуктор с балансированным дизайном клапана. Намерение этого дизайна редуктора — минимизировать площадь, на которую высокое входное давление может действовать. Это достигается путем допуска более низкого выходного давления к части нижней стороны клапана через отверстие, идущее вертикально вдоль клапана и уплотненное O-кольцом вокруг нижнего стебля клапана. В терминах SPE, любое изменение входного давления приведет к меньшему изменению силы, потому что давление действует на гораздо меньшую площадь.

Чтобы продемонстрировать, как SPE влияет на редуктор с балансированным клапаном, представьте постепенное снижение входного давления, как демонстрировалось ранее с дизайном небалансированного клапана. Так же как раньше, при входном давлении 1160 psig (80 бар), выходное давление 43,5 psig (3 бар). Однако, когда входное давление снижается до 870 psig (60 бар), выходное давление повышается только до 46,4 psig (3,2 бар). Фактически, даже при входном давлении 725 psig (50 бар), выходное давление продолжает держаться стабильно на 46,4 psig (3,2 бар).

Обратите внимание, как эффект на выходное давление с редуктором с балансированным клапаном снижен по сравнению с предыдущей конфигурацией редуктора. Дополнительное преимущество редукторов с балансированным клапаном — их способность снижать лок-ап (lockup) — тенденцию клапана хлопнуть закрытым, когда поток вниз по течению снижается до нуля. Чрезмерный лок-ап нежелателен, потому что он может вызвать скачок выходного давления, когда клапан быстро закрывается. Тем не менее, SPE всегда будет присутствовать в редукторах, используемых в газовых системах, независимо от дизайна клапана. Даже если клапан/клапан закрывается очень медленно, будь то в динамическом или статическом процессе с потоком или без потока, SPE произойдет. После смены пустого баллона на полный, заданное выходное давление будет другим. Информированные дизайнерские решения могут просто помочь снизить эффект.

Одноступенчатое vs Двухступенчатое регулирование

Двухступенчатое снижение давления — хорошее решение для минимизации эффекта давления питания практически в любом приложении. Этот метод включает установку двух одноступенчатых редукторов в серии или объединение редукторов в одну сборку. Двухступенчатый редуктор — такой как редуктор серии Swagelok® KCY, который проводит двухступенчатое снижение давления в одном корпусе — сильный вариант для приложений с низким расходом, таких как системы аналитической приборостроения. Каждый редуктор контролирует вариацию входного давления до определенной степени, но вместе два редуктора держат выходное давление очень близко к исходной заданной точке.

Чтобы рассчитать вариативность выходного давления для настройки двухступенчатого редуктора, разница входного давления умножается на SPE каждого редуктора. Это иллюстрировано в следующем уравнении:

ΔP_out_total = ΔP_in × SPE₁ × SPE₂

Имейте в виду, что SPE — обратное отношение между переменными входного и выходного давления. Первый ступенчатый редуктор встретит повышение выходного давления по мере опорожнения газового баллона и снижения входного давления. Это повышение будет подано во вторую ступень и приведет к последующему снижению на выходной стороне второго ступенчатого редуктора. Поскольку первый ступенчатый редуктор испытывает большое входное изменение и выдает меньшее выходное изменение, второй ступенчатый редуктор реагирует только на маленькое входное изменение от первой ступени и показывает минимальное снижение давления на выходной стороне. Как только входное давление падает ниже заданного давления первого ступенчатого редуктора, настройка будет действовать как одноступенчатая система редукторов.

Чтобы продемонстрировать эффект давления питания, ниже пример использует редуктор снижения давления модели KCY. Газовый баллон опорожняется от 2500 psig (172 бар) до 500 psig (34 бар). Предположим, что у каждого редуктора 1% SPE. С падением входного давления 2000 psig (137 бар), первый ступенчатый редуктор испытает повышение выходного давления на 20 psig (1,3 бар). В результате этого повышения, второй ступенчатый редуктор испытает только снижение выходного давления на 0,20 psig (0,01 бар). Обратите внимание, как эффект на выходное давление драматически снижен по сравнению с предыдущими конфигурациями редукторов.

График демонстрации SPE для двухступенчатого редуктора KCY

В терминах контроля эффекта давления питания, двухступенчатая настройка редуктора обычно достигнет лучшего результата, чем одноступенчатый редуктор снижения давления с балансированным клапаном. В приложении, использующем один газовый баллон для снабжения множественных операций под тем же выходным давлением, любой вариант может быть достаточным.

С другой стороны, приложения, требующие газовый баллон для снабжения множественных операций с разными давлениями, будут нуждаться в использовании двух одноступенчатых редукторов для создания двухступенчатой системы редукторов. Если это так, установите первый ступенчатый редуктор рядом с газовым баллоном и второй ступенчатый редуктор на каждой из процессных линий или в точке использования. Чтобы минимизировать SPE, системы часто строятся с двухступенчатым редуктором на источнике газа и одноступенчатым редуктором в точке использования. Эта избыточная настройка составляет трехступенчатое регулирование — которое не нужно для большинства приложений. Два одноступенчатых редуктора в серии дадут минимальный SPE при более низкой стоимости.

Узнайте больше об одноступенчатом и двухступенчатом регулировании давления:

Преимущества инженерированных систем газораспределения

Другой вариант управления SPE — использование полностью собранной и протестированной системы газораспределения, составленной из модульных подсистем, спроектированных и сконфигурированных специально для удовлетворения потребностей вашего приложения. В этих системах:

• Модуль входа источника, такой как Swagelok® source inlet (SSI) или входная панель источника, устанавливает соединение между высокодавленным газовым источником и системой распределения. Для одного газового баллона сборка может быть простой, как шланг и соединитель, в то время как множественные баллоны могут потребовать коллектор, включающий множественные шланги и клапаны. Эти входы могут быть высоко конфигурируемыми для продувки или вентиляции газов при смене баллонов — способствуя безопасности оператора — или могут быть созданы для вентиляции индивидуальных линий для максимизации времени работы.

Газовая панель, такая как Swagelok® gas panel (SGP), завершает первое снижение давления исходного газа и обеспечивает его доставку с правильным расходом к следующей стадии системы. Это часть системы газораспределения, где SPE может быть лучше всего контролировано. Снижение давления осуществляется либо в одну ступень с одним редуктором давления, либо в две ступени через двухредукторную компоновку. Эти газовые панели легко обслуживаются, так как любая часть может быть отсоединена, и панель никогда не нуждается в удалении. Использование SGP с двухступенчатым редуктором — высоконадежное средство снижения SPE.

• Автоматическая система переключения, такая как подсистема Swagelok® Changeover (SCO), переключается от одного газового источника к другому для обеспечения непрерывной поставки. Два редуктора с ручками установки соединены друг с другом, но контролируют ввод от отдельных газовых источников снабжения (состоящих из одного или более газовых баллонов). Один редуктор установлен на более низкое давление, чем другой, с тем, установленным на более высокое давление, изначально снабжающим газ к общему выходному соединению, а тот, установленный на более низкое давление, снабжая газ, когда газовый источ höher установленного редуктора исчерпывается. Поворот ручки установки на 180° меняет настройки давления двух редукторов местами, позволяя обменивать пустые баллоны, пока система продолжает работать. Хорошо спроектированные подсистемы переключения позволят вам специфицировать точки переключения для снижения потерь газа, оставленного в баллонах.
• Наконец, система точки использования, такая как сборка Swagelok® Point-of-Use (SPU), обеспечивает финальную стадию контроля давления перед использованием газа. Эти системы обычно включают редуктор, манометр и изолирующий клапан и предлагают удобный, точный метод настройки давления для удовлетворения потребностей приложения.

Схема модульной системы газораспределения Swagelok

Заключение

С редуктором, контролирующим выходное давление от газового баллона, эффект давления питания — явление, которое всегда будет присутствовать. Всякий раз, когда есть изменение входного давления, будет соответствующее изменение выходного давления. Вы можете минимизировать эффект давления питания для многих приложений, используя одноступенчатый редуктор с балансированным дизайном клапана, используя двухступенчатый редуктор или используя полностью конфигурируемые газовые панели, как доступные через программу газораспределения Swagelok®. Если ваш газовый источник обслуживает множественные операции с разными требованиями к давлению, вам может понадобиться множественные одноступенчатые редукторы — один рядом с газовым источником и другой на каждой процессной линии — или вы можете использовать предварительно собранные подсистемы газораспределения, спроектированные для эффективной работы в этих случаях.

Нужна помощь в выборе правильного редуктора для ваших приложений жидкостных систем? Мы можем помочь вам идентифицировать решения для улучшения операций на основе ваших уникальных систем. Советники по системам газораспределения доступны для оценки ваших существующих систем газораспределения и идентификации возможностей улучшения, и сотрудники в вашем местном центре продаж и сервиса Swagelok также могут консультировать вас по выбору компонентов. Для получения дополнительной информации обратитесь по ссылке ниже.