Management des Versorgungsdruckeffekts (SPE) in Druckreduzierreglern, die zur Aufrechterhaltung der Gasdruckregelung in industriellen Gassystemen verwendet werden

Verwalten des Effekts des Versorgungsdrucks (SPE) in Druckreduzierreglern, die in industriellen Gassystemen verwendet werden

Wouter Pronk, Leitender Außendiensttechniker, Swagelok

Bediener von Fluidsystemen, die eine Prozessleitung von einer Gasflaschenquelle betreiben, können gelegentlich das Phänomen eines Ausgangsdruckanstiegs in einem Druckminderer ohne ersichtlichen Grund beobachten. Wenn sich die Flasche leert, nimmt der Einlassdruck zum Regler ab. Viele erfahrene Techniker würden erwarten, dass der Ausgangsdruck gleichzeitig sinkt, aber stattdessen steigt der Ausgangsdruck. Dieses Auftreten ist als Versorgungsdruckeffekt (SPE) bekannt.

Was ist der Versorgungsdruckeffekt (SPE)?

Der Versorgungsdruckeffekt, auch als Einlassabhängigkeit bezeichnet, ist definiert als die Änderung des Auslassdrucks aufgrund einer Änderung des Einlass- oder Versorgungsdrucks. Bei diesem Phänomen sind Einlass- und Auslassdruckänderungen umgekehrt proportional zueinander. Sinkt der Eingangsdruck, steigt der Ausgangsdruck entsprechend an. Steigt dagegen der Eingangsdruck, sinkt der Ausgangsdruck.

Die SPE einer Regulierungsbehörde wird normalerweise vom Hersteller bereitgestellt. SPE wird normalerweise als Verhältnis oder Prozentsatz dargestellt, der die Änderung des Ausgangsdrucks pro Änderung des Eingangsdrucks beschreibt. Zum Beispiel, wenn ein Atemregler als 1:100 beschrieben wird oder 1 % SPE, für alle 100 psi sinkt der Eingangsdruck, steigt der Ausgangsdruck um 1 psi . Der Grad der Ausgangsdruckschwankung für einen Regler kann mit der folgenden Formel geschätzt werden:

Unbalanciertes vs. balanciertes Kegeldesign in federbelasteten Reglern

Eine der gebräuchlichsten Arten von Reglern ist ein federbelasteter Druckminderer. Eine Feder übt eine Kraft auf ein Sensorelement aus, entweder eine Membran oder einen Kolben, das den Ventilkegel über der Öffnung steuert und somit den Ausgangsdruck steuert.

Bei einem unausgeglichenen Ventilkegeldesign drückt der Eingangsdruck auf den Ventilkegel nach oben und übt Druck auf einen Teil des Ventilkegels aus, der der Sitzfläche entspricht. Infolgedessen bedeutet jede Verringerung des Einlassdrucks, dass weniger Kraft auf den Ventilkegel drückt, wodurch die stark eingestellte Feder den Ventilkegel etwas weiter aus dem Sitz drücken kann – wodurch der Auslassdruck erhöht wird. Dieser resultierende Anstieg des Auslassdrucks ist nicht stark genug, um die eingestellte Federkraft vollständig auszugleichen, um den Teller in seine ursprüngliche Position zu schließen. Das Ergebnis ist ein Anstieg des Ausgangsdrucks aufgrund von SPE.

Da Regler mit einem Kräftegleichgewicht arbeiten, kann die SPE-Menge durch das Verhältnis der Bereiche bestimmt werden, auf die Druck auf den Teller und die Erfassungsbereiche einwirkt. Das heißt, dass Regler mit großen Erfassungsbereichen und kleinen Kegeln die niedrigste SPE haben und solche mit kleinen Erfassungsbereichen und großen Kegeln die höchste SPE.

Um die Auswirkung eines unausgeglichenen Ventilkegeldesigns auf den SPE zu demonstrieren, verringern Sie allmählich den Einlassdruck. Bei einem Eingangsdruck von 1160 psig (80 bar) beträgt der Ausgangsdruck 43,5 psig (3 bar) . Aber wenn der Einlassdruck auf 870 psig (60 bar) gesenkt wird , springt der Ausgangsdruck auf 53,7 psig (3,7 bar) . Da der Eingangsdruck auf die gesamte Oberfläche eines unausgeglichenen Ventilkegels wirkt, erzeugt jede Änderung des Eingangsdrucks eine große Kraftänderung, was zu einer größeren Verschiebung des Kräftegleichgewichts innerhalb des Reglers führt.

Eine gängige Methode zur Reduzierung des Versorgungsdruckeffekts, insbesondere bei Anwendungen mit höherem Durchfluss, bei denen die Kegel im Allgemeinen größer sind, ist die Verwendung eines Reglers mit einem ausgewogenen Kegeldesign. Die Absicht dieser Reglerkonstruktion ist es, die Fläche zu minimieren, auf die der hohe Eingangsdruck einwirken kann. Dies wird erreicht, indem zugelassen wird, dass der niedrigere Ausgangsdruck einen Teil der Unterseite des Ventilkegels durch eine Öffnung erreicht, die vertikal entlang des Ventilkegels verläuft und durch einen O-Ring um den unteren Schaft des Ventilkegels herum abgedichtet ist. In Bezug auf SPE führt jede Änderung des Einlassdrucks zu einer kleineren Kraftänderung, da der Druck auf eine viel kleinere Fläche wirkt.

Um zu demonstrieren, wie sich SPE auf einen Regler mit balanciertem Ventilkegel auswirkt, stellen Sie sich vor, den Eingangsdruck allmählich zu verringern, wie zuvor mit dem Design mit unbalanciertem Ventilkegel gezeigt. Wie zuvor, bei einem Eingangsdruck von 1160 psig (80 bar) beträgt der Ausgangsdruck 43,5 psig (3 bar) . Wenn der Einlassdruck jedoch auf 870 psig (60 bar) gesenkt wird steigt der Ausgangsdruck nur auf 46,4 psig (3,2 bar) . Und das sogar bei einem Eingangsdruck von 725 psig (50 bar) , bleibt der Ausgangsdruck konstant bei 46,4 psig (3,2 bar) .

Beachten Sie, wie die Auswirkung auf den Ausgangsdruck mit einem balancierten Sitzregler gegenüber der vorherigen Regleranordnung verringert wird. Ein zusätzlicher Vorteil balancierter Tellerventil-Regler ist ihre Fähigkeit, das Blockieren zu reduzieren – die Tendenz des Tellerventils, zuzuschnappen, wenn der stromabwärtige Durchfluss auf Null abfällt. Eine übermäßige Sperrung ist unerwünscht, da sie eine Spitze im Ausgangsdruck verursachen kann, wenn sich der Ventilkegel schnell schließt. Dennoch wird SPE immer in Reglern vorhanden sein, die in Gassystemen verwendet werden, unabhängig von der Konstruktion des Ventilkegels. Selbst wenn ein Kegel/Ventil sehr langsam geschlossen wird, ob in einem dynamischen oder statischen Prozess mit oder ohne Durchfluss, tritt SPE auf. Nach dem Austausch einer leeren gegen eine volle Flasche ist der eingestellte Ausgangsdruck anders. Fundierte Designentscheidungen können einfach dazu beitragen, den Effekt zu reduzieren.

Einstufige vs. zweistufige Regulierung

Die zweistufige Druckreduzierung ist eine gute Lösung zur Minimierung des Einflusses des Versorgungsdrucks in praktisch jeder Anwendung. Bei dieser Methode werden zwei einstufige Regler in Reihe geschaltet oder die Regler zu einer Baugruppe zusammengefasst. Ein zweistufiger Regler – wie z. B. ein Swagelok ^® Regler der Serie KCY, der eine zweistufige Druckreduzierung in einem Gehäuse durchführt, ist eine starke Option für Anwendungen mit niedrigerem Durchfluss, wie z. B. analytische Instrumentensysteme. Jeder Regler regelt die Variation des Eingangsdrucks bis zu einem gewissen Grad, aber zusammen halten die beiden Regler den Ausgangsdruck sehr nahe am ursprünglichen Sollwert.

Um die Schwankungen des Ausgangsdrucks für einen zweistufigen Regleraufbau zu berechnen, wird die Eingangsdruckdifferenz mit dem SPE jedes Reglers multipliziert. Dies wird in der folgenden Gleichung veranschaulicht:

Denken Sie daran, dass SPE eine umgekehrte Beziehung zwischen Einlass- und Auslassdruckvariablen ist. Der Regler der ersten Stufe wird einen Anstieg des Ausgangsdrucks feststellen, wenn sich die Gasflasche leert und der Eingangsdruck abnimmt. Diese Erhöhung wird in die zweite Stufe eingespeist und führt zu einer nachfolgenden Verringerung auf der Ausgangsseite des Reglers der zweiten Stufe. Da der Regler der ersten Stufe die große Einlassänderung erfährt und eine kleinere Auslassänderung ausgibt, reagiert der Regler der zweiten Stufe nur auf die kleine Einlassänderung von der ersten Stufe und zeigt einen minimalen Druckabfall auf der Auslassseite. Sobald der Eingangsdruck unter den eingestellten Druck des Reglers der ersten Stufe fällt, arbeitet der Aufbau als einstufiges Reglersystem.

Um den Effekt des Versorgungsdrucks zu demonstrieren, wird im folgenden Beispiel ein Druckminderer des Modells KCY verwendet. Die Gasflasche entleert sich ab 2500 psig (172 bar) bis 500 psig (34 bar) . Angenommen, jeder Regler hat eine 1 % SPE . Mit 2000 psig (137 bar) Einlassdruckabfall, wird der Regler der ersten Stufe 20 psig (1,3 bar) erfahren Anstieg des Ausgangsdrucks. Als Ergebnis dieser Erhöhung erfährt der Regler der zweiten Stufe nur 0,20 psig (0,01 bar) Abnahme des Ausgangsdrucks. Beachten Sie, wie die Auswirkung auf den Ausgangsdruck gegenüber den vorherigen Regleranordnungen dramatisch verringert wird.

In Bezug auf die Steuerung des Versorgungsdruckeffekts erzielt ein zweistufiger Regleraufbau in der Regel ein besseres Ergebnis als ein einzelner Druckminderer mit einem balancierten Ventilkegel. In einer Anwendung, die eine Gasflasche verwendet, um mehrere Vorgänge mit demselben Ausgangsdruck zu versorgen, kann jede Option ausreichend sein.

Auf der anderen Seite müssen Anwendungen, die eine Gasflasche benötigen, um mehrere Vorgänge mit unterschiedlichen Drücken zu versorgen, zwei einstufige Regler verwenden, um ein zweistufiges Reglersystem herzustellen. Stellen Sie in diesem Fall den Regler der ersten Stufe in der Nähe der Gasflasche und den Regler der zweiten Stufe an jeder der Prozessleitungen oder am Verwendungsort auf. Um SPE zu minimieren, werden Systeme häufig mit einem zweistufigen Regler an der Gasversorgungsquelle und einem einstufigen Regler am Verwendungsort gebaut. Dieser übermäßige Aufbau läuft auf eine dreistufige Regelung hinaus – was für die meisten Anwendungen unnötig ist. Zwei einstufige Regler in Reihe ergeben eine minimale SPE zu geringeren Kosten.

Erfahren Sie mehr über ein- und zweistufige Druckregelung:

Die Vorteile technischer Gasverteilungssysteme

Eine weitere Option zur Verwaltung von SPE ist der Einsatz eines vollständig montierten und getesteten Gasverteilungssystems, das aus modularen Subsystemen besteht, die speziell für die Anforderungen Ihrer Anwendung entwickelt und konfiguriert wurden. In diesen Systemen:

• Ein Quelleneinlassmodul wie das Swagelok ^® Source Inlet (SSI) oder Source Inlet Panel stellt eine Verbindung zwischen der Hochdruckgasquelle und dem Verteilungssystem her. Für eine einzelne Gasflasche kann die Montage so einfach sein wie ein Schlauch und ein Verbindungsstück, während mehrere Flaschen einen Verteiler mit mehreren Schläuchen und Ventilen erfordern können. Diese Einlässe können in hohem Maße konfiguriert werden, um Gase beim Flaschenwechsel zu spülen oder abzulassen – was die Sicherheit des Bedieners fördert – oder um einzelne Leitungen zu entlüften, um die Betriebszeit zu maximieren.
• Eine Gastafel wie Swagelok ^® Gas Panel (SGP), vervollständigt die erste Druckreduzierung des Quellgases und stellt sicher, dass es mit der richtigen Durchflussrate an die nächste Stufe des Systems geliefert wird. Dies ist der Teil eines Gasverteilungssystems, in dem SPE am besten kontrolliert werden kann. Die Druckreduzierung erfolgt entweder in einer Stufe mit einem einzelnen Druckregler oder in zwei Stufen durch eine Anordnung mit zwei Druckreglern. Diese Gastafeln sind einfach zu warten, da alle Teile abgenommen werden können und die Tafel nie entfernt werden muss. Die Verwendung eines SGP mit einem zweistufigen Regler ist ein äußerst zuverlässiges Mittel zur Reduzierung der SPE.
• Ein automatisches Wechselsystem wie das Swagelok ^® Changeover (SCO)-Subsystem, schaltet von einer Gasquelle auf eine andere um, um eine unterbrechungsfreie Versorgung sicherzustellen. Zwei Druckminderer mit Stellknöpfen sind miteinander verbunden, steuern aber den Eingang aus getrennten Gasversorgungsquellen (bestehend aus einer oder mehreren Gasflaschen). Ein Regler ist auf einen niedrigeren Druck als der andere eingestellt, wobei der eine auf den höheren Druck eingestellte anfänglich Gas an den gemeinsamen Ausgangsanschluss liefert und der auf den niedrigeren Druck eingestellte Gas liefert, sobald die Gasversorgung des höher eingestellten Reglers erschöpft ist. Durch Verstellen des Stellgriffs um 180° wird die Druckeinstellung der beiden Regler umgekehrt, so dass leere Flaschen bei laufendem Betrieb ausgetauscht werden können. Gut konzipierte Umschaltsubsysteme ermöglichen es Ihnen, Umschaltsollwerte anzugeben, um verschwendetes Gas zu reduzieren, das in Zylindern verbleibt.
• Schließlich ein Point-of-Use-System wie das Swagelok ^® Point-of-Use (SPU)-Baugruppe, bietet eine letzte Stufe der Druckregelung, bevor Gas verwendet wird. Diese Systeme umfassen typischerweise einen Regler, ein Manometer und ein Absperrventil und bieten eine praktische, genaue Methode zur Druckanpassung, um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Fazit

Wenn der Regler den Ausgangsdruck einer Gasflasche steuert, ist der Versorgungsdruckeffekt ein Phänomen, das immer vorhanden sein wird. Wenn sich der Eingangsdruck ändert, ändert sich auch der Ausgangsdruck entsprechend. Sie können den Einfluss des Versorgungsdrucks für viele Anwendungen minimieren, indem Sie einen einstufigen Regler mit balanciertem Kegeldesign verwenden, indem Sie einen zweistufigen Regler verwenden oder vollständig konfigurierbare Gastafeln verwenden, wie sie über Swagelok ^{® Gasverteilungsprogramm. Wenn Ihre Gasquelle mehrere Vorgänge mit unterschiedlichen Druckanforderungen bedient, benötigen Sie möglicherweise mehrere einstufige Regler – einen in der Nähe der Gasquelle und einen weiteren an jeder Prozesslinie – oder Sie können vormontierte Gasverteilungs-Subsysteme verwenden, die für eine effektive Leistung in diesen Fällen ausgelegt sind.}

Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl des richtigen Reglers für Ihre Flüssigkeitssystemanwendungen? Wir können Sie dabei unterstützen, Lösungen zur Verbesserung des Betriebs auf der Grundlage Ihrer einzigartigen Systeme zu finden. Berater für Gasverteilungssysteme stehen zur Verfügung, um Ihre bestehenden Gasverteilungssysteme zu bewerten und Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren, und Mitarbeiter in Ihrem örtlichen Swagelok Vertriebs- und Servicezentrum können Sie auch bei der Komponentenauswahl beraten. Weitere Informationen erhalten Sie über den unten stehenden Link.