Beheer van het toevoerdrukeffect (SPE) bij drukregelaars

Beheer van het toevoerdrukeffect (SPE) in drukreducerende regelaars voor industriële gas- en vloeistofsystemen

Beheerders van gas- en vloeistofsystemen die een procesleiding vanaf een gascilinder gebruiken, kunnen soms het fenomeen waarnemen dat de uitlaatdruk in een drukreduceeregelaar zonder aanwijsbare reden toeneemt. Als de cilinder leegloopt, daalt de inlaatdruk naar de drukregelaar. Veel ervaren technici zouden verwachten dat de uitlaatdruk tegelijkertijd afneemt, maar in plaats daarvan stijgt de uitlaatdruk. Dit verschijnsel staat bekend als toevoerdrukeffect of Supply Pressure Effect (SPE).

Wat is toevoerdrukeffect (SPE)?

Toevoerdrukeffect, ook wel "inlaatafhankelijkheid" genoemd, wordt gedefinieerd als de verandering in uitlaatdruk als gevolg van een verandering in inlaatdruk of toevoerdruk. Bij dit fenomeen zijn veranderingen in inlaat- en uitlaatdruk omgekeerd evenredig aan elkaar. Als de inlaatdruk afneemt, zal de uitlaatdruk navenant toenemen. Omgekeerd geldt dat als de inlaatdruk toeneemt, de uitlaatdruk afneemt.

De SPE van een regelaar wordt vaak door de fabrikant opgegeven. SPE wordt meestal weergegeven als een verhouding of percentage dat de verandering in uitlaatdruk per verandering in inlaatdruk beschrijft. Als een regelaar bijvoorbeeld wordt beschreven met een SPE van 1:100 of 1%, dan zal voor elke daling van de inlaatdruk met 100 psi (6,89 bar) de uitlaatdruk met 1 psi (0,689 bar) toenemen. De mate van uitlaatdrukvariatie voor een regelaar kan worden geschat met de volgende formule:

Onevenwichtig vs. evenwichtig poppet in veerbelaste drukregelaars

Een van de meest voorkomende typen reduceerventielen is de drukreducerende reduceerventiel met veerbelasting. Een veer oefent kracht uit op een sensorelement, een membraan of een zuiger, die de klep over de opening stuurt en zo de uitlaatdruk regelt.

Bij een ontwerp met een ongebalanceerde poppet duwt de inlaatdruk de poppet omhoog en oefent druk uit op een deel van de poppet dat gelijk is aan de oppervlakte van de zitting. Als gevolg hiervan betekent elke afname in inlaatdruk dat er minder kracht op de poppet wordt uitgeoefend, waardoor de sterk afgestelde veer de poppet iets verder van de zitting kan duwen, waardoor de uitlaatdruk toeneemt. De resulterende stijging van de uitlaatdruk is niet sterk genoeg om de kracht van de instelveer volledig te compenseren en de poppet te sluiten naar zijn oorspronkelijke positie. Het resultaat is een toename van de uitlaatdruk als gevolg van SPE.

Omdat regelaars werken op basis van een krachtenevenwicht, kan de hoeveelheid SPE worden bepaald door de verhouding tussen de oppervlakken waarop druk op de poppet en de detectieoppervlakken werkt. Dat wil zeggen dat regelaars met grote detectiegebieden en kleine poppet kleppen de laagste SPE hebben en regelaars met kleine detectiegebieden en grote poppet kleppen de hoogste SPE.

Om het effect van een ongebalanceerd poppet ontwerp op SPE aan te tonen, wordt de inlaatdruk geleidelijk verlaagd. Bij een inlaatdruk van1160 psig (80 bar) is de uitlaatdruk 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). Omdat de inlaatdruk op het hele oppervlak van een ongebalanceerde poppet werkt, veroorzaakt elke verandering in de inlaatdruk een grote verandering in kracht, waardoor de krachtbalans binnen de regelaar nog verder verschuift.

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

Om te laten zien hoe SPE van invloed is op een gebalanceerde poppet regelaar, stellen we ons voor dat we de inlaatdruk geleidelijk verlagen, zoals we eerder hebben laten zien bij het ontwerp met de ongebalanceerde poppet. Net als voorheen is de uitlaatdruk bij een inlaatdruk van 1160 psig (80 bar)43,5 psig (3 bar). Als de inlaatdruk echter wordt verlaagd naar 870 psig (60 bar), neemt de uitlaatdruk slechts 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 poppet regelaar kleiner is dan bij de vorige regelaaropstelling. Een bijkomend voordeel van gebalanceerde poppet regelaars hun vermogen om lockup te verminderen - de neiging van de poppet om dicht te knijpen als het stroomafwaartse debiet afneemt tot nul. Een te grote lockup is ongewenst omdat dit een piek in de uitlaatdruk kan veroorzaken als de poppet zich snel sluit. Toch zal SPE altijd aanwezig zijn in regelaars die gebruikt worden in gassystemen, ongeacht het ontwerp van de poppet. Zelfs als een poppet/klep heel langzaam wordt gesloten, in een dynamisch of statisch proces met of zonder flow, zal SPE optreden. Na het verwisselen van een lege cilinder voor een volle, zal de ingestelde uitlaatdruk anders zijn. 

Eéntraps ten opzichte van tweetrapsregeling

Tweetraps drukreductie is een goede oplossing voor het minimaliseren van het effect van de toevoerdruk in vrijwel elke toepassing. Bij deze methode worden twee ééntrapsregelaars in serie geïnstalleerd of worden de regelaars gecombineerd in één assemblage. Een tweetrapsregelaar, zoals een Swagelok KCY-serie regelaar die tweetraps drukreductie uitvoert in één behuizing, is een goede optie voor toepassingen met een lager debiet, zoals analytische instrumentatiesystemen. Elke regelaar regelt de inlaatdrukvariatie 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 eerste trap van de regelaar krijgt te maken met een toename van de uitlaatdruk als de gascilinder leegloopt en de inlaatdruk afneemt. Deze stijging wordt doorgegeven aan de tweede trap en resulteert in een daaropvolgende daling aan de uitlaatzijde van de tweedefaseregelaar. Omdat de eerste trapregelaar de grote inlaatverandering ervaart en een kleinere uitlaatverandering uitvoert, reageert de tweede trapregelaar alleen op de kleine inlaatverandering van de eerste trap en vertoont deze een minimale drukdaling aan de uitlaatzijde. Zodra de inlaatdruk onder de insteldruk van de eerste trap komt, werkt de opstelling als een ééntrapsregelaar.

Om het effect van de toevoerdruk te demonstreren, wordt in het onderstaande voorbeeld een drukregelaar van het model KCY gebruikt. De gascilinder loopt leeg van 2500 psig (172 bar) naar 500 psig (34 bar). Veronderstel dat elke reduceerventiel een SPE van 1% heeft. Bij een inlaatdrukdaling van 2000 psig (137 bar) zal de uitlaatdruk van de eerste trap reduceereenheid met 20 psig (1,3 bar) toenemen. Als gevolg van die stijging zal de uitvoerdruk van de tweedetrapsregelaar slechts 0,20 psig (0,01 bar) dalen. Merk op dat het effect op de uitlaatdruk veel kleiner is dan bij de vorige regelaaropstellingen.

Om het effect van de toevoerdruk te regelen, zal een tweetrapsregelaar doorgaans een beter resultaat opleveren dan een enkele drukreducerende regelaar met een gebalanceerde klep. In een toepassing waarbij één gascilinder wordt gebruikt voor meerdere bewerkingen onder dezelfde uitlaatdruk, kunnen beide opties voldoende zijn.

Aan de andere kant zullen toepassingen waarbij een gascilinder nodig is om meerdere processen met verschillende drukken te voeden, twee ééntrapsregelaar moeten gebruiken om een tweetrapsregelaarsysteem te maken. Als dit het geval is, moet de eerste trapregelaar in de buurt van de gascilinder worden geplaatst en de tweede trapregelaar op elk van de procesleidingen of op het punt van gebruik. Om SPE te minimaliseren, worden systemen vaak gebouwd met een tweetrapsregelaar bij de gastoevoerbron en een ééntrapsregelaar op het gebruikspunt. Deze overdreven opstelling komt neer op drietrapsregeling, wat voor de meeste toepassingen onnodig is. Twee ééntrapsregelaars in serie leveren een minimale SPE tegen lagere kosten.

Meer informatie over één- en tweetraps drukregeling:

De voordelen van engineered gasdistributiesystemen

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

• Een Inlaat aansluiting van de bron, zoals de Swagelok Source Inlet (SSI), of bron inlaatpaneel legt een verbinding tussen de hogedrukgasbron en het distributiesysteem. Voor een enkele gascilinder kan de assemblage 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 in hoge mate geconfigureerd worden om gassen te purgen of te ontluchten bij het verwisselen van flessen - wat de veiligheid van de operator bevordert - of ze kunnen gemaakt worden om individuele leidingen te ontluchten om de uptime te maximaliseren.
• Een gaspaneel, zoals het Swagelok gaspaneel (SGP), voltooit de eerste drukvermindering van het brongas en zorgt ervoor dat het met het juiste debiet aan de volgende fase van het systeem wordt geleverd. Dit is het deel van een gasdistributiesysteem waar SPE het best onder controle kan worden gehouden. De drukvermindering gebeurt in één fase met een enkele drukregelaar of in twee fasen met een dubbele drukregelaar. Deze gaspanelen zijn eenvoudig in onderhoud, 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 het Swagelok Changeover (SCO) subsysteem, schakelt over van de ene gasbron naar de andere om een ononderbroken toevoer te garanderen. Twee drukregelaars met instelknoppen zijn met elkaar verbonden, maar regelen de invoer van afzonderlijke gastoevoerbronnen (bestaande uit één of meer gascilinders). De ene regelaar is ingesteld op een lagere druk dan de andere, waarbij de regelaar die op de hogere druk is ingesteld in eerste instantie gas levert aan de gemeenschappelijke uitlaataansluiting. De regelaar die op de lagere druk is ingesteld levert gas zodra de gastoevoer van de regelaar die op de hogere druk is ingesteld op is. Door de instelhendel 180° te verstellen, wordt de drukinstelling van de twee reduceerventielen omgekeerd, waardoor lege cilinders kunnen worden uitgewisseld terwijl het systeem blijft werken. Met goed ontworpen omschakelsubsystemen kunt u omschakel-setpoints specificeren om verspilling van gas in cilinders te verminderen.
• Tot slot biedt een Gebruikspunt, zoals de Swagelok Point-of-Use (SPU) assemblage, een laatste fase van drukregeling voordat het gas wordt gebruikt. Deze systemen bestaan meestal uit een drukregelaar, een manometer en een afsluiter en bieden een handige, nauwkeurige methode om de druk aan te passen aan de behoeften van de toepassing.

Conclusie

Wanneer de drukregelaar de uitlaatdruk van een gasfles regelt, is het effect van de toevoerdruk een fenomeen dat altijd aanwezig zal zijn. Wanneer er een verandering is in de inlaatdruk, zal er een overeenkomstige verandering zijn in de uitlaatdruk. U kunt het toevoerdrukeffect voor veel toepassingen minimaliseren door een enkeltrapsregelaar met een gebalanceerd poppet ontwerp te gebruiken, door een tweetrapsregelaar te gebruiken of door volledig configureerbare gaspanelen te gebruiken, zoals de panelen die verkrijgbaar zijn via het gasdistributieprogramma van Swagelok. Als uw gasbron meerdere operaties met verschillende drukvereisten bedient, hebt u mogelijk meerdere ééntrapsregelaars nodig - één in de buurt van de gasbron en één op elke proceslijn - of u kunt voor geassembleerde gasdistributiesubsystemen gebruiken die zijn ontworpen om in deze gevallen effectief te presteren.

Hebt u hulp nodig bij het selecteren van de juiste reduceerventiel voor uw vloeistofsysteemtoepassingen? Wij kunnen u helpen bij het vinden van oplossingen om de werking te verbeteren op basis van uw unieke systemen. Adviseurs voor gasdistributiesystemen zijn beschikbaar om uw bestaande gasdistributiesystemen te evalueren en mogelijkheden voor verbetering te identificeren. Voor meer informatie, klik hieronder.

Wouter Pronk

Senior Field Engineer, Swagelok