Como gerenciar o efeito da pressão de alimentação (SPE) em reguladores redutores de pressão usados ​​para manter o controle de pressão de gás em sistemas de gás industrial

Como gerenciar o efeito da pressão de alimentação (SPE) em reguladores redutores de pressão usados ​​em sistemas de gás industrial

Wouter Pronk, engenheiro de campo sênior, Swagelok

Operadores de sistemas de fluido que operam uma linha de processo a partir de uma fonte de cilindro de gás podem ocasionalmente observar o fenômeno do aumento da pressão de saída em um regulador de redução de pressão sem motivo aparente. À medida que o cilindro esvazia, a pressão de entrada do regulador diminui. Muitos técnicos qualificados esperam que a pressão de saída diminua simultaneamente, mas, em vez disso, a pressão de saída aumenta. Essa ocorrência é conhecida como efeito da pressão de alimentação (SPE).

O que é Efeito da Pressão de Abastecimento (SPE)?

O efeito da pressão de alimentação, também conhecido como dependência de entrada, é definido como a mudança na pressão de saída devido a uma mudança na pressão de entrada ou alimentação. Sob este fenômeno, as mudanças de pressão de entrada e saída são inversamente proporcionais entre si. Se a pressão de entrada diminuir, haverá um aumento correspondente da pressão de saída. Por outro lado, se a pressão de entrada aumenta, a pressão de saída diminui.

O SPE de um regulador é normalmente fornecido pelo fabricante. SPE é geralmente descrito como uma razão ou porcentagem que descreve a mudança na pressão de saída por mudança na pressão de entrada. Por exemplo, se um regulador for descrito como tendo uma taxa 1:100 ou 1% SPE, para cada 100 psi queda na pressão de entrada, a pressão de saída aumentará em 1 psi . O grau de variação da pressão de saída de um regulador pode ser estimado com a seguinte fórmula:

Design de gatilho desbalanceado vs. balanceado em reguladores carregados por mola

Um dos tipos mais comuns de reguladores é um regulador de redução de pressão com mola. Uma mola aplica força em um elemento sensor, seja um diafragma ou um pistão, que controla o cabeçote sobre o orifício – controlando, portanto, a pressão de saída.

Em um projeto de gatilho desbalanceado, a pressão de entrada empurra o gatilho para cima e aplica pressão a uma porção do gatilho igual à área do assento. Como resultado, qualquer diminuição na pressão de entrada significa que menos força está empurrando o gatilho, permitindo que a mola de ajuste forte empurre o gatilho ligeiramente mais longe do assento, aumentando assim a pressão de saída. Este aumento resultante na pressão de saída não é forte o suficiente para contrabalançar totalmente a força da mola ajustada para fechar o gatilho para sua posição original. O resultado é um aumento na pressão de saída devido à SPE.

Como os reguladores operam em um equilíbrio de forças, a quantidade de SPE pode ser determinada pela razão de áreas nas quais as pressões atuam no gatilho e nas áreas de detecção. Isso quer dizer que os reguladores com grandes áreas de detecção e gatilhos pequenos terão o SPE mais baixo e aqueles com áreas de sensoriamento pequenas e gatilhos grandes terão o SPE mais alto.

Para demonstrar o efeito de um projeto de gatilho desbalanceado no SPE, diminua gradualmente a pressão de entrada. A uma pressão de entrada de 1160 psig (80 bar) , a pressão de saída é 43,5 psig (3 bar) . Mas quando a pressão de entrada é reduzida para 870 psig (60 bar) , a pressão de saída salta para 53,7 psig (3,7 bar) . Como a pressão de entrada atua em toda a superfície de um gatilho desbalanceado, qualquer mudança na pressão de entrada produz uma grande mudança na força, levando a uma mudança maior no equilíbrio de forças dentro do regulador.



Um método comum para reduzir o efeito da pressão de alimentação, especialmente em aplicações de alto fluxo, onde os cabeçotes são geralmente maiores, é usar um regulador com um design de cabeçote balanceado. A intenção deste projeto de regulador é minimizar a área na qual a alta pressão de entrada pode atuar. Isso é feito permitindo que a pressão de saída inferior alcance uma parte da parte inferior do gatilho através de um orifício que corre verticalmente ao longo do gatilho e vedado por um anel em O ao redor da haste inferior do gatilho. Em termos de SPE, qualquer mudança na pressão de entrada resultará em uma mudança menor na força porque a pressão está agindo em uma área muito menor.

Para demonstrar como o SPE afeta um regulador de gatilho balanceado, imagine diminuir gradualmente a pressão de entrada conforme demonstrado anteriormente com o projeto de gatilho desbalanceado. Assim como antes, a uma pressão de entrada de 1160 psig (80 bar) , a pressão de saída é 43,5 psig (3 bar) . No entanto, quando a pressão de entrada é reduzida para 870 psig (60 bar) , a pressão de saída aumenta apenas para 46,4 psig (3,2 bar) . Na verdade, mesmo com uma pressão de entrada de 725 psig (50 bar) , a pressão de saída continua estável em 46,4 psig (3,2 bar) .

Observe como o efeito na pressão de saída com um regulador de gatilho balanceado é diminuído em relação ao arranjo anterior do regulador. Um benefício adicional dos reguladores de gatilho balanceados é sua capacidade de reduzir o travamento – a tendência de o gatilho se fechar quando o fluxo a jusante diminui para zero. O travamento excessivo é indesejável porque pode causar um pico na pressão de saída à medida que o gatilho se fecha rapidamente. Ainda assim, a SPE sempre estará presente nos reguladores utilizados em sistemas de gás, independentemente do design do gatilho. Mesmo que um gatilho/válvula seja fechado muito lentamente, seja em um processo dinâmico ou estático com fluxo ou sem fluxo, ocorrerá SPE. Após a troca de um cilindro vazio por um cheio, a pressão de saída ajustada será diferente. Decisões de projeto informadas podem simplesmente ajudar a reduzir o efeito.

Regulamento de um estágio vs. de dois estágios

A redução de pressão em dois estágios é uma boa solução para minimizar o efeito da pressão de alimentação em praticamente qualquer aplicação. Este método envolve a instalação de dois reguladores de estágio único em série ou a combinação dos reguladores em um único conjunto. Um regulador de estágio duplo, como um Swagelok ^® O regulador da série KCY que conduz a redução de pressão em dois estágios em um corpo - é uma opção forte para aplicações de fluxo mais baixo, como sistemas de instrumentação analítica. Cada regulador controla a variação da pressão de entrada até certo ponto, mas juntos, os dois reguladores mantêm a pressão de saída muito próxima do ponto de ajuste original.

Para calcular a variabilidade da pressão de saída para uma configuração de regulador de dois estágios, a diferença de pressão de entrada é multiplicada pelo SPE de cada regulador. Isso é ilustrado na seguinte equação:

Tenha em mente que SPE é uma relação inversa entre as variáveis ​​de pressão de entrada e saída. O regulador do primeiro estágio encontrará um aumento na pressão de saída à medida que o cilindro de gás se esvazia e a pressão de entrada diminui. Este aumento será alimentado no segundo estágio e resultará em uma diminuição sucessiva no lado de saída do regulador do segundo estágio. Como o regulador do primeiro estágio experimenta a grande mudança de entrada e produz uma mudança de saída menor, o regulador do segundo estágio reage apenas à pequena mudança de entrada do primeiro estágio e mostra uma diminuição mínima da pressão no lado da saída. Assim que a pressão de entrada cair abaixo da pressão de ajuste do regulador do primeiro estágio, a configuração atuará como um sistema regulador de um estágio.

Para demonstrar o efeito da pressão de alimentação, o exemplo abaixo usa um regulador de redução de pressão modelo KCY. O cilindro de gás esvazia a partir de 2500 psig (172 bar) para 500 psig (34 bar) . Suponha que cada regulador tenha uma 1% SPE . Com 2000 psig (137 bar) queda de pressão de entrada, o regulador do primeiro estágio sofrerá 20 psig (1,3 bar) aumento da pressão de saída. Como resultado desse aumento, o regulador do segundo estágio experimentará apenas 0,20 psig (0,01 bar) diminuição da pressão de saída. Observe como o efeito na pressão de saída é drasticamente reduzido em relação aos arranjos anteriores do regulador.

Em termos de controle do efeito da pressão de alimentação, uma configuração de regulador de dois estágios normalmente alcançará um resultado melhor do que um único regulador de redução de pressão com um gatilho balanceado. Em uma aplicação usando um cilindro de gás para fornecer várias operações sob a mesma pressão de saída, qualquer uma das opções pode ser suficiente.

Por outro lado, as aplicações que exigem um cilindro de gás para fornecer várias operações com diferentes pressões precisarão usar dois reguladores de estágio único para fazer um sistema regulador de dois estágios. Se for o caso, instale o regulador de primeiro estágio próximo ao cilindro de gás e o regulador de segundo estágio em cada uma das linhas de processo ou no ponto de uso. Para minimizar o SPE, os sistemas geralmente são construídos com um regulador de dois estágios na fonte de suprimento de gás e um regulador de estágio único no ponto de uso. Essa configuração excessiva equivale a uma regulação de três estágios - o que é desnecessário para a maioria das aplicações. Dois reguladores de estágio único em série produzirão SPE mínimo a um custo menor.

Saiba mais sobre regulação de pressão de um e dois estágios:

Os benefícios dos sistemas de distribuição de gás de engenharia

Outra opção para gerenciar o SPE é empregar um sistema de distribuição de gás totalmente montado e testado, composto por subsistemas modulares projetados e configurados especificamente para atender às necessidades de sua aplicação. Nestes sistemas:

• Um módulo de entrada de origem, como o Swagelok ^® entrada da fonte (SSI), ou painel de entrada da fonte estabelece uma conexão entre a fonte de gás de alta pressão e o sistema de distribuição. Para um único cilindro de gás, a montagem pode ser tão simples quanto uma mangueira e um conector, enquanto vários cilindros podem exigir um coletor incorporando várias mangueiras e válvulas. Essas entradas podem ser altamente configuráveis ​​para purgar ou ventilar gases ao trocar as garrafas - promovendo a segurança do operador - ou podem ser criadas para ventilar linhas individuais para maximizar o tempo de atividade.
• Um painel de gás, como o Swagelok ^® painel de gás (SGP), completa a primeira redução de pressão do gás de origem e garante que ele seja entregue na vazão correta para o próximo estágio do sistema. Esta é a parte de um sistema de distribuição de gás onde a SPE pode ser melhor controlada. A redução de pressão é realizada em um estágio com um único regulador de pressão ou em dois estágios por meio de um arranjo de regulador de pressão duplo. Esses painéis de gás são de fácil manutenção, pois qualquer parte pode ser destacada e o painel nunca precisa ser removido. Usar um SGP com um regulador de estágio duplo é um meio altamente confiável de reduzir o SPE.
• Um sistema de troca automática, como o Swagelok ^® Subsistema de comutação (SCO), alterna de uma fonte de gás para outra para garantir o fornecimento ininterrupto. Dois reguladores de pressão com botões de ajuste são conectados um ao outro, mas controlam a entrada de fontes de suprimento de gás separadas (consistindo em um ou mais cilindros de gás). Um regulador é ajustado para uma pressão mais baixa do que o outro, com o ajustado na pressão mais alta inicialmente fornecendo gás para a conexão de saída compartilhada e o ajustado na pressão mais baixa fornecendo gás quando o suprimento de gás do regulador mais alto se esgota. Ao ajustar a alavanca de ajuste em 180°, o ajuste de pressão dos dois reguladores é invertido, permitindo a troca de cilindros vazios enquanto o sistema continua operando. Subsistemas de troca bem projetados permitirão que você especifique pontos de ajuste de troca para reduzir o desperdício de gás restante nos cilindros.
• Finalmente, um sistema de ponto de uso, como o Swagelok ^® O conjunto de ponto de uso (SPU) fornece um estágio final de controle de pressão antes do gás ser usado. Esses sistemas normalmente incluem um regulador, um medidor e uma válvula de isolamento e oferecem um método conveniente e preciso de ajuste de pressão para atender às necessidades da aplicação.

Conclusão

Com o regulador controlando a pressão de saída de um cilindro de gás, o efeito da pressão de alimentação é um fenômeno que sempre estará presente. Sempre que houver uma mudança na pressão de entrada, haverá uma mudança correspondente na pressão de saída. Você pode minimizar o efeito da pressão de alimentação para muitas aplicações usando um regulador de estágio único com um design de gatilho balanceado, usando um regulador de dois estágios ou usando painéis de gás totalmente configuráveis, como os disponíveis no Swagelok ^® programa de distribuição de gás. Se sua fonte de gás estiver atendendo várias operações com diferentes requisitos de pressão, você pode precisar de vários reguladores de estágio único - um próximo à fonte de gás e outro em cada linha de processo - ou você pode usar subsistemas de distribuição de gás pré-montados projetados para funcionar de forma eficaz nesses casos.

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