Guia Especialista para Configuração de Regulador de Contrapressão para Engenheiros de Amostragem

Configuração de Regulador de Contrapressão: Dicas para Engenheiros de Sistemas de Amostragem

Jon Kestner, Gerente de Produto

Reguladores de contrapressão desempenham um papel importante na manutenção de pressão a montante e proteção de equipamentos sensíveis em sistemas de amostragem usados em muitas instalações industriais. Para fazer uso adequado de um regulador de contrapressão, no entanto, engenheiros de sistemas de amostragem devem estar atentos a alguns erros comuns de projeto de sistema de amostragem. Estes incluem:

• Ignorar a importância de um dispositivo restritivo de vazão a montante
• Permitir vazão excessiva através do analisador
• Colocar um regulador redutor de pressão em série com um regulador de contrapressão sem resistência de vazão entre os dois dispositivos

Nesta postagem do blog, discutiremos as melhores práticas para projetar e construir um sistema de amostragem usando um regulador de contrapressão e como evitar esses erros comuns de projeto.

Configurando um Regulador de Contrapressão

Ao contrário de reguladores redutores de pressão, um regulador de contrapressão controla a pressão de entrada (pressão a montante) e é geralmente instalado no final de uma linha. Por outro lado, um regulador redutor de pressão controla a pressão de saída (pressão a jusante) e é geralmente instalado no início de uma linha. Ambos os tipos de reguladores trabalham para equilibrar forças resultantes da pressão do sistema com a força de carga na mola criada ao estabelecer a pressão de ajuste.

Se este equilíbrio for perturbado devido a pressão externa aumentando ou diminuindo, a válvula ou poppet do regulador se moverá para mais perto ou mais longe da sede. Dependendo da natureza do movimento da válvula, isso permitirá que o fluxo se mova através do orifício do regulador mais facilmente ou menos facilmente até que o regulador restabeleça o equilíbrio.

A Figura 1 mostra uma configuração típica de regulador de contrapressão para um sistema de amostragem analítica. Quando há vazão que não está sendo usada pelo analisador (veja A na figura 1), o trabalho do regulador é desviar essa vazão para um bypass. À medida que a pressão da fonte muda, o regulador então também muda a quantidade de vazão desviada para garantir que pressão constante seja mantida na entrada do regulador e, portanto, uma vazão consistente alcance o analisador.

Um regulador de contrapressão requer alguma restrição de vazão (tipicamente uma válvula agulha) a montante para ajudar a gerenciar a pressão de entrada (veja R1 na figura 1). Se não houver restrição entre o regulador de contrapressão e o sistema (mesmo um longo comprimento de tubulação pode ter queda de pressão mínima dentro de sistemas de gás), o regulador de contrapressão abrirá amplamente em uma tentativa de mover gás suficiente para derrubar a pressão a montante. Isso não será eficaz. Com uma restrição no lugar, no entanto, a taxa de vazão aumentada resultará em uma queda de pressão aumentada sobre essa restrição, ajudando a derrubar a pressão a jusante.

Um erro que projetistas de sistemas de amostragem frequentemente cometem é omitir os restritores de vazão, pensando que o regulador de contrapressão pode controlar a pressão a montante diretamente. Mas sem o restritor, quando a vazão do sistema muda, haveria pouca ou nenhuma mudança na pressão. O regulador continuaria a desperdiçar fluido de processo em uma tentativa de aumentar a vazão enquanto a pressão de entrada que está tentando controlar não mostraria nenhuma mudança. Isso pode resultar no regulador ficando totalmente aberto.

Permitir muita vazão através do restritor do analisador (veja R2 na figura 1) é outro erro de projeto porque pode causar a queda da pressão de entrada do regulador abaixo de sua pressão de ajuste. Isso pode resultar no regulador fechando completamente, restringindo a vazão de ventilação. Para melhor controle, o restritor de vazão a montante (R1) deve ser dimensionado para permitir alguma vazão através do regulador mesmo na taxa máxima de vazão do analisador.

Para configurar um sistema funcional como o mostrado na figura 1, projetistas de sistema devem começar fechando R2, ajustando R1 para permitir suficientemente vazão de bypass para o tempo de resposta de análise desejado, e então ajustando finamente R2 para a vazão do analisador desejada. A vazão de bypass deve cair automaticamente pela mesma quantidade. Se necessário, abra lentamente R1 até que a vazão de bypass seja pelo menos tão rápida quanto a vazão de ventilação do analisador. Isso permitirá que o regulador controle sua pressão de entrada quando a pressão da fonte mudar. Se você espera que a pressão da fonte mude amplamente, ajuste R1 para gerar uma pequena quantidade de vazão de bypass na pressão de fonte mais baixa antecipada.

Com a pressão controlada pelo regulador de contrapressão em combinação com os restritores de vazão R1 e R2, podemos controlar a vazão para o analisador e para a linha de ventilação.

Como esses três componentes estão controlando a vazão para o analisador e a vazão de bypass, uma válvula agulha ou outro dispositivo restritivo na linha de ventilação de bypass não é necessária. No entanto, um medidor de vazão de bypass sem válvula agulha é útil para confirmar que o regulador está passando alguma vazão e controlando sua pressão de entrada.

Usando Reguladores Redutores de Pressão e de Contrapressão em Série

Como mostrado na figura 2, outro erro de projeto ocorre quando um regulador de contrapressão é colocado imediatamente após um regulador redutor de pressão. Como dois reguladores não podem controlar a mesma pressão — um deles deve perder.

Para demonstrar esta perda, considere duas situações. Primeiro, se o ponto de ajuste do regulador de contrapressão for maior que a pressão vindo para ele do regulador a montante, ele permanecerá fechado pois não há força suficiente para levantar o poppet de contrapressão da sede e permitir vazão através do regulador de contrapressão. Neste cenário, não haverá vazão de bypass, pois o regulador de contrapressão permanecerá fechado.

Na segunda situação, o ponto de ajuste do regulador de contrapressão é menor. Como a vazão agora aumenta, a pressão de entrega do regulador redutor de pressão diminuirá na taxa da curva de droop do regulador a montante. A taxa de vazão aumenta drasticamente, empurrando o regulador de contrapressão para cima de sua curva de acumulação e aumentando sua pressão de entrada.

O resultado deste aumento depende dos ajustes dos dois reguladores:

• Se os dois ajustes forem próximos, a taxa de vazão subirá até que a pressão de droop saindo do primeiro regulador corresponda à pressão de acumulação entrando no segundo. Mas isso resulta em uma taxa de vazão muito alta.
• Se os dois ajustes forem mais distantes, a taxa de vazão subirá até que aquele regulador não esteja mais em controle. Um regulador controlará a pressão e o outro se tornará um restritor de vazão.

A vazão de bypass depende da diferença entre os dois pontos de ajuste. Ela aumenta até que os reguladores "declarem uma trégua". Quando a pressão a montante muda ou a vazão para o analisador varia, os dois reguladores tentam manter uma pressão intermediária entre seus pontos de ajuste, mas com resultados incertos. Isso é ilustrado na figura 3.

Isso não significa que os dois reguladores não possam funcionar em série, mas a única maneira para isso ocorrer com sucesso é ter um restritor de vazão entre eles. A figura 4 mostra este cenário onde, sob os ajustes corretos, ambos os reguladores estão operando como devem, e a pressão é constante em cada extremidade dos dois restritores. A consistência desta pressão permite que a vazão seja estável e protege o analisador de variações na pressão da fonte e de ventilação.

Um Sistema Funcionando Corretamente

Para garantir o funcionamento adequado de um regulador de contrapressão, o sistema de amostragem deve ser projetado cuidadosamente para assegurar que o regulador está fazendo seu trabalho de controlar a pressão. Pressão muito alta ou muito baixa pode causar danos ou atrasos no sistema.

Se você tem dúvidas enquanto configura reguladores em seus sistemas de amostragem, podemos ajudar. Engenheiros de campo da Swagelok podem visitar suas instalações para avaliar seu sistema de amostragem, aconselhar sobre projeto ou solucionar problemas. Alternativamente, você pode aprender tudo sobre projeto e uso de sistemas de amostragem através de nossos cursos de treinamento Process Analyzer Sampling System (PASS) ou Sampling System Problem Solving and Maintenance (SSM).