Beheer van het toevoerdrukeffect (SPE) in drukverlagende regelaars die worden gebruikt om de gasdrukregeling in industriële gassystemen te handhaven

Het toevoerdrukeffect (SPE) beheren in drukverlagende regelaars die worden gebruikt in industriële gassystemen

Wouter Pronk, Senior Field Engineer, Swagelok

Beheerders van vloeistofsystemen die een procesleiding vanuit een gasflesbron laten lopen, kunnen af ​​en toe zonder duidelijke reden het fenomeen van toenemende uitlaatdruk in een drukverlagende regelaar waarnemen. Naarmate de cilinder leeg raakt, neemt de inlaatdruk naar de regelaar af. Veel bekwame technici zouden verwachten dat de uitlaatdruk gelijktijdig zou afnemen, maar in plaats daarvan stijgt de uitlaatdruk. Dit optreden staat bekend als het toevoerdrukeffect (SPE).

Wat is het toevoerdrukeffect (SPE)?

Toevoerdrukeffect, ook wel inlaatafhankelijkheid genoemd, wordt gedefinieerd als de verandering in uitlaatdruk als gevolg van een verandering in inlaat- of toevoerdruk. Onder dit fenomeen zijn inlaat- en uitlaatdrukveranderingen omgekeerd evenredig met elkaar. Als de inlaatdruk daalt, zal er een overeenkomstige toename van de uitlaatdruk zijn. Omgekeerd, als de inlaatdruk toeneemt, neemt de uitlaatdruk af.

De SPE van een regelaar wordt meestal geleverd door de fabrikant. SPE wordt meestal weergegeven als een verhouding of percentage die de verandering in uitlaatdruk per verandering in inlaatdruk beschrijft. Als een regelaar bijvoorbeeld wordt beschreven met een 1:100 of 1% SPE, voor elke 100 psi daling van de inlaatdruk, de uitlaatdruk zal toenemen met 1 psi . De mate van variatie in uitlaatdruk voor een regelaar kan worden geschat met de volgende formule:

Ongebalanceerd versus gebalanceerd schotelontwerp in veerbelaste regelaars

Een van de meest voorkomende typen regelaars is een veerbelaste drukreducerende regelaar. Een veer oefent kracht uit op een meetelement, ofwel een diafragma of een zuiger, die de schotel over de opening regelt - en dus de uitlaatdruk regelt.

In een ongebalanceerd schotelontwerp duwt de inlaatdruk de schotel omhoog en oefent druk uit op een deel van de schotel die gelijk is aan het zitgedeelte. Als gevolg hiervan betekent elke afname van de inlaatdruk dat er minder kracht op de schotel wordt geduwd, waardoor de sterk ingestelde veer de schotel iets verder van de zitting kan duwen, waardoor de uitlaatdruk toeneemt. Deze resulterende stijging van de uitlaatdruk is niet sterk genoeg om de ingestelde veerkracht volledig te compenseren om de schotel in zijn oorspronkelijke positie te sluiten. Het resultaat is een toename van de uitlaatdruk als gevolg van SPE.

Omdat regelaars werken op een balans van krachten, kan de hoeveelheid SPE worden bepaald door de verhouding van gebieden waarop druk inwerkt op de schotel- en sensorgebieden. Dat wil zeggen dat regelgevers met grote detectiegebieden en kleine kleppen de laagste SPE zullen hebben en die met kleine detectiegebieden en grote kleppen de hoogste SPE.

Om het effect van een ongebalanceerd schotelontwerp op SPE te demonstreren, verlaagt u geleidelijk de inlaatdruk. Bij een inlaatdruk van 1160 psig (80 bar) , de uitlaatdruk is 43,5 psig (3 bar) . Maar wanneer de inlaatdruk wordt verlaagd tot 870 psig (60 bar) , springt de uitlaatdruk naar 53,7 psig (3,7 bar) . Aangezien de inlaatdruk inwerkt op het gehele oppervlak van een ongebalanceerde schotel, veroorzaakt elke verandering in inlaatdruk een grote verandering in kracht, waardoor een grotere verschuiving in het krachtenevenwicht binnen de regelaar ontstaat.

Een veelgebruikte methode om het effect van de toevoerdruk te verminderen, vooral bij toepassingen met een hoger debiet waar de kleppen over het algemeen groter zijn, is het gebruik van een regelaar met een uitgebalanceerd schotelontwerp. De bedoeling van dit regelaarontwerp is om het gebied waarop de hoge inlaatdruk kan werken te minimaliseren. Dit wordt bereikt door de lagere uitlaatdruk een deel van de onderkant van de schotel te laten bereiken door een opening die verticaal langs de schotel loopt en afgedicht door een O-ring rond de onderste steel van de schotel. In termen van SPE zal elke verandering in inlaatdruk resulteren in een kleinere verandering in kracht omdat de druk op een veel kleiner gebied inwerkt.

Om te demonstreren hoe SPE een gebalanceerde schotelregelaar beïnvloedt, stelt u zich voor om de inlaatdruk geleidelijk te verlagen, zoals eerder aangetoond met het ongebalanceerde schotelontwerp. Net als voorheen, bij een inlaatdruk van 1160 psig (80 bar) , de uitlaatdruk is 43,5 psig (3 bar) . Wanneer de inlaatdruk echter wordt verlaagd tot 870 psig (60 bar) , neemt de uitlaatdruk alleen toe tot 46,4 psig (3,2 bar) . Zelfs bij een inlaatdruk van 725 psig (50 bar) , blijft de uitlaatdruk stabiel op 46,4 psig (3,2 bar) .

Merk op hoe het effect op de uitlaatdruk met een gebalanceerde schotelregelaar wordt verminderd ten opzichte van de vorige regeling van de regelaar. Een bijkomend voordeel van gebalanceerde schotelregelaars is hun vermogen om vastlopen te verminderen - de neiging van de schotel om dicht te klikken als de stroomafwaartse stroom tot nul afneemt. Overmatige blokkering is ongewenst omdat dit een piek in de uitlaatdruk kan veroorzaken wanneer de schotel snel sluit. Toch zal SPE altijd aanwezig zijn in regelaars die worden gebruikt in gassystemen, ongeacht het ontwerp van de schotel. Zelfs als een schotel/klep zeer langzaam wordt gesloten, hetzij in een dynamisch of statisch proces met stroming of geen stroming, zal SPE optreden. Na het wisselen van een lege fles naar een volle, zal de ingestelde uitlaatdruk anders zijn. Geïnformeerde ontwerpbeslissingen kunnen eenvoudigweg helpen het effect te verminderen.

Eentraps versus tweetraps regelgeving

Tweetraps drukverlaging is een goede oplossing voor het minimaliseren van het effect van de toevoerdruk in vrijwel elke toepassing. Deze methode omvat het installeren van twee eentraps regelaars in een serie of het combineren van de regelaars tot één geheel. Een tweetraps regelaar, zoals een Swagelok ^® Regelaar uit de KCY-serie die drukverlaging in twee fasen in één behuizing uitvoert - is een sterke optie voor toepassingen met een lager debiet, zoals analytische instrumentatiesystemen. Elke regelaar regelt de variatie van de inlaatdruk tot op zekere hoogte, maar samen houden de twee regelaars de uitlaatdruk zeer dicht bij het oorspronkelijke instelpunt.

Om de variabiliteit van de uitlaatdruk voor een tweetraps regelaaropstelling te berekenen, wordt het inlaatdrukverschil vermenigvuldigd met de SPE van elke regelaar. Dit wordt geïllustreerd in de volgende vergelijking:

Houd er rekening mee dat SPE een omgekeerde relatie is tussen inlaat- en uitlaatdrukvariabelen. De regelaar van de eerste trap zal een toename van de uitlaatdruk ervaren als de gasfles leeg raakt en de inlaatdruk afneemt. Deze verhoging zal in de tweede trap worden ingevoerd en resulteren in een daaropvolgende verlaging aan de uitlaatzijde van de tweede trap regelaar. Omdat de regelaar van de eerste trap de grote inlaatverandering ervaart en een kleinere uitlaatverandering uitvoert, reageert de regelaar van de tweede trap alleen op de kleine inlaatverandering van de eerste trap en vertoont een minimale drukafname aan de uitlaatzijde. Zodra de inlaatdruk onder de ingestelde druk van de eerste trap regelaar komt, zal de opstelling fungeren als een eentraps regelaarsysteem.

Om het effect van de toevoerdruk te demonstreren, wordt in het onderstaande voorbeeld een drukreducerende regelaar van het KCY-model gebruikt. De gasfles loopt leeg vanaf 2500 psig (172 bar) tot 500 psig (34 bar) . Neem aan dat elke toezichthouder een 1% SPE . heeft . Met een 2000 psig (137 bar) inlaatdrukdaling, zal de eerste trapregelaar een 20 psig (1,3 bar) . ervaren verhoging van de uitlaatdruk. Als gevolg van die verhoging zal de regelaar van de tweede trap slechts een 0,20 psig (0,01 bar) ervaren. afname van de uitlaatdruk. Merk op hoe het effect op de uitlaatdruk drastisch is verminderd ten opzichte van de vorige regelingen van de regelaar.

In termen van het regelen van het effect van de toevoerdruk, zal een tweetraps regelaarconfiguratie doorgaans een beter resultaat opleveren dan een enkele drukverlagende regelaar met een uitgebalanceerde schotel. In een toepassing waarbij één gasfles wordt gebruikt om meerdere bewerkingen onder dezelfde uitlaatdruk te doen plaatsvinden, kan elke optie voldoende zijn.

Aan de andere kant zullen toepassingen die een gasfles nodig hebben om meerdere bewerkingen met verschillende drukken te leveren, twee eentraps regelaars moeten gebruiken om een ​​tweetraps regelaarsysteem te maken. Als dit het geval is, plaatst u de regelaar van de eerste trap in de buurt van de gasfles en de regelaar van de tweede trap op elk van de proceslijnen of op het punt van gebruik. Om SPE te minimaliseren, worden systemen vaak gebouwd met een tweetraps regelaar bij de gastoevoerbron en een eentraps regelaar op het punt van gebruik. Deze buitensporige opstelling komt neer op een regeling in drie fasen, wat voor de meeste toepassingen niet nodig is. Twee enkeltraps regelaars in serie leveren minimale SPE op tegen lagere kosten.

Meer informatie over een- en tweetraps drukregeling:

De voordelen van technische gasdistributiesystemen

Een andere optie om SPE te beheren is het gebruik van een volledig geassembleerd en getest gasdistributiesysteem dat is samengesteld uit modulaire subsystemen die speciaal zijn ontworpen en geconfigureerd om aan de behoeften van uw toepassing te voldoen. In deze systemen:

• Een broninlaatmodule, zoals de Swagelok ^® broninlaat (SSI), of broninlaatpaneel, brengt een verbinding tot stand tussen de hogedrukgasbron en het distributiesysteem. Voor een enkele gasfles kan de montage zo eenvoudig zijn als een slang en connector, terwijl voor meerdere cilinders een verdeelstuk met meerdere slangen en kleppen nodig kan zijn. Deze inlaten kunnen zeer configureerbaar zijn om gassen te zuiveren of te ontluchten bij het verwisselen van flessen - wat de veiligheid van de operator bevordert - of kunnen worden gecreëerd om individuele leidingen te ontluchten om de uptime te maximaliseren.
• Een gaspaneel, zoals de Swagelok ^® gaspaneel (SGP), voltooit de eerste drukverlaging van het brongas en zorgt ervoor dat het met de juiste stroomsnelheid wordt geleverd aan de volgende fase van het systeem. Dit is het onderdeel van een gasdistributiesysteem waar SPE het beste kan worden geregeld. Drukverlaging wordt bereikt in één trap met een enkele drukregelaar of in twee trappen door middel van een dubbele drukregelaar. Deze gaspanelen zijn eenvoudig te onderhouden, omdat elk onderdeel kan worden losgemaakt en het paneel nooit hoeft te worden verwijderd. Het gebruik van een SGP met een tweetrapsregelaar is een zeer betrouwbare manier om SPE te verminderen.
• Een automatisch omschakelsysteem, zoals de Swagelok ^® Omschakeling (SCO) subsysteem, schakelt van de ene gasbron naar de andere om een ​​ononderbroken levering te garanderen. Twee drukregelaars met stelknoppen zijn met elkaar verbonden, maar regelen de invoer vanuit aparte gastoevoerbronnen (bestaande uit één of meerdere gasflessen). De ene regelaar is ingesteld op een lagere druk dan de andere, waarbij de ene op de hogere druk is ingesteld die aanvankelijk gas levert aan de gedeelde uitlaataansluiting en de andere is ingesteld op de lagere druk die gas levert zodra de gastoevoer van de hoger ingestelde regelaar opraakt. Door de stelhendel 180° te verstellen, wordt de drukinstelling van de twee regelaars omgekeerd, waardoor lege cilinders kunnen worden verwisseld terwijl het systeem blijft werken. Met goed ontworpen omschakelsubsystemen kunt u omschakelinstelpunten specificeren om verspild gas in cilinders te verminderen.
• Eindelijk een point-of-use-systeem, zoals de Swagelok ^® Point-of-Use (SPU) assemblage, biedt een laatste fase van drukregeling voordat gas wordt gebruikt. Deze systemen bevatten doorgaans een regelaar, een meter en een isolatieklep en bieden een handige, nauwkeurige methode om de druk aan te passen aan de toepassingsbehoeften.

Conclusie

Met de regelaar die de uitlaatdruk van een gasfles regelt, is het effect van de toevoerdruk een fenomeen dat altijd aanwezig zal zijn. Telkens wanneer er een verandering in de inlaatdruk is, zal er een overeenkomstige verandering in de uitlaatdruk zijn. U kunt het effect van de toevoerdruk voor veel toepassingen minimaliseren door een eentrapsregelaar te gebruiken met een uitgebalanceerd schotelontwerp, door een tweetrapsregelaar te gebruiken of door volledig configureerbare gaspanelen te gebruiken zoals die beschikbaar zijn via de Swagelok ^® gasdistributieprogramma. Als uw gasbron meerdere bewerkingen uitvoert met verschillende drukvereisten, hebt u mogelijk meerdere eentrapsregelaars nodig - een in de buurt van de gasbron en een andere op elke proceslijn - of u kunt voorgemonteerde gasdistributiesubsystemen gebruiken die zijn ontworpen om in deze gevallen effectief te presteren.

Hulp nodig bij het selecteren van de juiste regelaar voor uw vloeistofsysteemtoepassingen? We kunnen u helpen bij het identificeren van oplossingen om de bedrijfsvoering te verbeteren op basis van uw unieke systemen. Gasdistributiesysteemadviseurs zijn beschikbaar om uw bestaande gasdistributiesystemen te evalueren en mogelijkheden voor verbetering te identificeren, en medewerkers van uw plaatselijke Swagelok-verkoop- en servicecentrum kunnen u ook adviseren over de keuze van componenten. Neem voor meer informatie contact op via onderstaande link.