Voedingsdrukeffect (SPE) Beheren In Industriële Drukverlagende Regelaars Voor Consistente Gasdrukcontrole

Hoe U Voedingsdrukeffect (SPE) Kunt Beheren In Drukverlagende Regelaars Gebruikt In Industriële Gassystemen

Wouter Pronk, Senior Field Engineer, Swagelok

Vloeistofsysteemoperators die een proceslijn vanaf een gascilinderbron runnen, kunnen het fenomeen waarnemen dat de uitlaatdruk in een drukverlagende regelaar stijgt zonder duidelijke reden. Naarmate de cylinder leegloopt, daalt de inlaatdruk naar de regelaar. Veel ervaren technici zouden verwachten dat de uitlaatdruk gelijktijdig daalt, maar in plaats daarvan stijgt de uitlaatdruk. Deze voorkomnis staat bekend als voedingsdrukeffect (SPE).

Wat Is Voedingsdrukeffect (SPE)?

Voedingsdrukeffect, ook aangeduid als inlaatafhankelijkheid, wordt gedefinieerd als de verandering in uitlaatdruk als gevolg van een verandering in inlaat- of voedingsdruk. Onder dit fenomeen zijn inlaat- en uitlaatdrukveranderingen omgekeerd evenredig aan elkaar. Als de inlaatdruk daalt, zal er een corresponderende uitlaatdrukstijging zijn. Integenstelling, als de inlaatdruk stijgt, daalt de uitlaatdruk.

Een regelaar's SPE wordt doorgaans door de fabrikant gegeven. SPE wordt meestal afgebeeld als een ratio of percentage dat de verandering in uitlaatdruk per verandering in inlaatdruk beschrijft. Bijvoorbeeld, als een regelaar beschreven wordt als een 1:100 of 1% SPE, voor elke 100 psi daling in inlaatdruk, zal de uitlaatdruk met 1 psi stijgen. De mate van uitlaatdrukvariatie voor een regelaar kan worden geschat met de volgende formule:

Ongebalanceerd vs. Gebalanceerd Klepontwerp In Veerbelaste Regelaars

Een van de meest voorkomende typen regelaars is een veerbelaste drukverlagende regelaar. Een veer oefent kracht uit op een voelelement, ofwel een membrane of een zuiger, wat de klep over de orifice controleert – daarmee de uitlaatdruk controlerend.

In een ongebalanceerd klepontwerp, duwt de inlaatdruk omhoog op de klep en oefent druk uit op een deel van de klep gelijk aan de zitplaatsoppervlakte. Als resultaat betekent elke daling in inlaatdruk dat minder kracht omhoog op de klep duwt, waardoor de sterke instelveer de klep iets verder van de zitplaats duwt – dus de uitlaatdruk verhoogt. Deze resulterende stijging in uitlaatdruk is niet sterk genoeg om de instelveerkracht volledig te tegenwichten om de klep terug naar zijn oorspronkelijke positie te sluiten. Het resultaat is een toename in uitlaatdruk door SPE.

Omdat regelaars werken op een balans van krachten, kan de hoeveelheid SPE worden bepaald door de verhouding van oppervlaktes waarop drukken op de klep en voelgebieden werken. Dat wil zeggen dat regelaars met grote voeloppervlaktes en kleine kleppen de laagste SPE zullen hebben en die met kleine voeloppervlaktes en grote kleppen de hoogste SPE zullen hebben.

Om het effect van een ongebalanceerd klepontwerp op SPE te demonstreren, verlaag de inlaatdruk geleidelijk. Bij een inlaatdruk van 1160 psig (80 bar) is de uitlaatdruk 43,5 psig (3 bar). Maar wanneer de inlaatdruk gedaald wordt naar 870 psig (60 bar), stijgt de uitlaatdruk naar 53,7 psig (3,7 bar). Aangezien de inlaatdruk op het hele oppervlak van een ongebalanceerde klep werkt, produceert elke verandering in inlaatdruk een grote verandering in kracht, wat een grotere verschuiving in de krachtenbalans binnen de regelaar drijft.

Een veelvoorkomende methode om voedingsdrukeffect te reduceren, met name binnen hogere-stroomtoepassingen waar kleppen doorgaans groter zijn, is het gebruik van een regelaar met een gebalanceerd klepontwerp. De bedoeling van dit regelaarontwerp is om het oppervlak waarop de hoge inlaatdruk kan werken te minimaliseren. Dit wordt bereikt door de lagere uitlaatdruk een deel van de onderkant van de klep te laten bereiken via een orifice die verticaal loopt langs de klep en afgedicht wordt door een O-ring rond de onderste steel van de klep. In termen van SPE, zal elke verandering in inlaatdruk resulteren in een kleinere verandering in kracht omdat de druk op een veel kleiner oppervlak werkt.

Om te demonstreren hoe SPE een gebalanceerde klepregelaar beïnvloedt, stel u voor de inlaatdruk geleidelijk te verlagen zoals eerder gedemonstreerd met het ongebalanceerde klepontwerp. Net als eerder, bij een inlaatdruk van 1160 psig (80 bar) is de uitlaatdruk 43,5 psig (3 bar). Echter, wanneer de inlaatdruk gedaald wordt naar 870 psig (60 bar), stijgt de uitlaatdruk slechts naar 46,4 psig (3,2 bar). In feite, zelfs bij een inlaatdruk van 725 psig (50 bar), blijft de uitlaatdruk stabiel op 46,4 psig (3,2 bar).

Let op hoe het effect op de uitlaatdruk met een gebalanceerde klepregelaar verlicht is ten opzichte van de vorige regelaarregeling. Een additioneel voordeel van gebalanceerde klepregelaars is hun vermogen om lockup te reduceren – de neiging van de klep om dicht te klappen naarmate de stroomafwaartse stroom afneemt tot nul. Overmatige lockup is onwenselijk omdat het een piek in uitlaatdruk kan veroorzaken als de klep snel dichtgaat. Toch zal SPE altijd aanwezig zijn in regelaars gebruikt in gassystemen, ongeacht klepontwerp. Zelfs als een klep/klep heel langzaam gesloten wordt, of in een dynamisch of statisch proces met stroom of geen stroom, zal SPE optreden. Na de verandering van een lege cylinder voor een volle, zal de ingestelde uitlaatdruk anders zijn. Geïnformeerde ontwerpbeslissingen kunnen het effect gewoon helpen reduceren.

Eentraps vs. Tweetraps Regulering

Tweetraps drukverlaging is een goede oplossing voor het minimaliseren van voedingsdrukeffect in praktisch elke toepassing. Deze methode omvat het installeren van twee eentraps regelaars in serie of het combineren van de regelaars in één assemblage. Een dualtraps regelaar – zoals een Swagelok® KCY serie regelaar die tweetraps drukverlaging in één lichaam uitvoert – is een sterke optie voor lagere-stroomtoepassingen zoals analytische instrumentatiesystemen. Elke regelaar controleert de inlaatdrukvariatie tot een bepaalde mate, maar samen houden de twee regelaars de uitlaatdruk heel dicht bij het oorspronkelijke ingestelde punt.

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

Houd er rekening mee dat SPE een inverse relatie is tussen inlaat- en uitlaatdrukvariabelen. De eerste-traps regelaar zal een stijging in uitlaatdruk ondervinden naarmate de gascilinder leegloopt en de inlaatdruk daalt. Deze stijging zal in de tweede trap worden gevoerd en resulteren in een opvolgende daling aan de uitlaatkant van de tweede-traps regelaar. Omdat de eerste-traps regelaar de grote inlaatverandering ondervindt en een kleinere uitlaatverandering uitvoert, reageert de tweede-traps regelaar alleen op de kleine inlaatverandering van de eerste trap en toont minimale drukdaling aan de uitlaatkant. Zodra de inlaatdruk onder de ingestelde druk van de eerste-traps regelaar daalt, zal de opstelling functioneren als een eentraps regelaarsysteem.

Om voedingsdrukeffect te demonstreren, gebruikt het onderstaande voorbeeld een KCY model drukverlagende regelaar. De gascilinder leegloopt van 2500 psig (172 bar) tot 500 psig (34 bar). Neem aan dat elke regelaar een 1% SPE heeft. Met een 2000 psig (137 bar) inlaatdrukval, zal de eerste-traps regelaar een 20 psig (1,3 bar) stijging in uitlaatdruk ervaren. Als resultaat van die stijging, zal de tweede-traps regelaar slechts een 0,20 psig (0,01 bar) daling in uitlaatdruk ervaren. Let op hoe het effect op de uitlaatdruk dramatisch verlicht is ten opzichte van de vorige regelaarregelingen.

In termen van het controleren van voedingsdrukeffect, zal een tweetraps regelaaropstelling typisch een betere uitkomst bereiken dan een enkele drukverlagende regelaar met een gebalanceerde klep. In een toepassing die één gascilinder gebruikt om meerdere operaties onder dezelfde uitlaatdruk te voeden, kan elke optie voldoende zijn.

Toepassingen die een gascilinder vereisen om meerdere operaties met verschillende drukken te voeden, zullen twee eentraps regelaars nodig hebben om een tweetraps regelaarsysteem te maken. Als dit het geval is, stel de eerste-traps regelaar in de buurt van de gascilinder en de tweede-traps regelaar op elk van de proceslijnen of aan het gebruiks punt. Om SPE te minimaliseren, worden systemen vaak gebouwd met een tweetraps regelaar aan de gastoeleveringsbron en een eentraps regelaar aan het gebruiks punt. Deze excessieve opstelling bedraagt driedraps regulering – wat onnodig is voor de meeste toepassingen. Twee eentraps regelaars in serie zullen minimale SPE opleveren tegen lagere kosten.

Meer leren over eentraps en tweetraps drukregulering:

De Voordelen Van Geëngineerde Gasdistributiesystemen

Een andere optie om SPE te beheren is het inzetten van een volledig gemonteerd en getest gasdistributiesysteem samengesteld uit modulaires subsystemen ontworpen en geconfigureerd specifiek om de behoeften van uw toepassing te voldoen. In deze systemen:

• Een broninlaatmodule, zoals de Swagelok® broninlaat (SSI), of broninlaatpaneel stelt een verbinding vast tussen de hoge-druk gasbron en het distributiesysteem. Voor een enkele gascilinder kan de assemblage zo simpel zijn als een slang en connector, terwijl meerdere cylinders een manifold kunnen vereisen die meerdere slangen en kleppen incorporeert. Deze inlaten kunnen hoogst configureerbaar zijn om te purgen of te venten bij fleswisseling – operatorveiligheid bevorderend – of gecreëerd om individuele lijnen te venten om uptime te maximaliseren.
• Een gaspaneel, zoals het Swagelok® gaspaneel (SGP), voltooit de eerste drukverlaging van de bron gas en zorgt ervoor dat het met de juiste stroomsnelheid naar de volgende fase van het systeem wordt geleverd. Dit is het deel van een gasdistributiesysteem waar SPE het best gecontroleerd kan worden. Drukverlaging wordt bereikt in één trap met een enkele drukregelaar of twee trappen door een duale drukregelaarregeling. Deze gaspanelen zijn gemakkelijk te serviceeren, aangezien elk onderdeel losgemaakt kan worden en het paneel nooit hoeft te worden verwijderd. Het gebruik van een SGP met een dualtraps regelaar is een zeer betrouwbare manier om SPE te reduceren.
• Een automatische wisselsysteem, zoals het Swagelok® Wisselsysteem (SCO) subsysteem, schakelt van de ene gasbron naar de andere om ononderbroken toelevering te garanderen. Twee drukregelaars met instelknoppen zijn met elkaar verbonden, maar controleren invoer van afzonderlijke gastoeleveringsbronnen (bestaande uit een of meer gascilinders). Een regelaar is ingesteld op een lagere druk dan de andere, met de op de hogere druk ingestelde initieel gas leverend aan de gedeelde uitlaatverbinding en de op de lagere druk ingestelde leverend gas zodra de gastoelevering van de hogere ingestelde regelaar op is. Door de instelhandvat 180° te draaien, worden de drukinstellingen van de twee regelaars omgekeerd, waardoor lege cylinders gewisseld kunnen worden terwijl het systeem doorgaat met opereren. Goed ontworpen wisselsubsystemen stellen u in staat om wisselpunten te specificeren om verspild gas in cylinders te reduceren.
• Ten slotte, een gebruiks punt systeem, zoals de Swagelok® Gebruiks Punt (SPU) assemblage, biedt een laatste fase van drukcontrole voordat gas wordt gebruikt. Deze systemen omvatten doorgaans een regelaar, een meter en een isolatieklep en bieden een handige, nauwkeurige methode om druk aan te passen om aan toepassingsbehoeften te voldoen.

Conclusie

Met de regelaar die de uitlaatdruk vanaf een gascilinder controleert, is voedingsdrukeffect een fenomeen dat altijd aanwezig zal zijn. Wanneer er een verandering in inlaatdruk is, zal er een corresponderende verandering in uitlaatdruk zijn. U kunt voedingsdrukeffect voor veel toepassingen minimaliseren door een eentraps regelaar met een gebalanceerd klepontwerp te gebruiken, door een tweetraps regelaar te gebruiken, of door volledig configureerbare gaspanelen te gebruiken zoals die beschikbaar zijn via het Swagelok® gasdistributieprogramma. Als uw gasbron meerdere operaties met verschillende drukvraag bedient, hebt u mogelijk meerdere eentraps regelaars nodig – één in de buurt van de gasbron en een andere op elke proceslijn – of u kunt vooraf-gemonteerde gasdistributie-subsystemen gebruiken die ontworpen zijn om effectief te presteren in deze gevallen.

Hulp nodig bij het selecteren van de juiste regelaar voor uw vloeistofsysteemtoepassingen? We kunnen u helpen bij het identificeren van oplossingen om operaties te verbeteren op basis van uw unieke systemen. Gasdistributiesysteemadviseurs zijn beschikbaar om uw bestaande gasdistributiesystemen te evalueren en verbeterkansen te identificeren, en medewerkers bij uw lokale Swagelok verkoop- en servicecentrum kunnen u ook adviseren over componentselectie. Voor meer informatie, neem contact op via de onderstaande link.