Comment gérer l'effet de la pression d'alimentation (SPE) dans les régulateurs de réduction de pression utilisés pour maintenir le contrôle de la pression du gaz dans les systèmes de gaz industriels

Comment gérer l'effet de pression d'alimentation (SPE) dans les régulateurs de réduction de pression utilisés dans les systèmes de gaz industriels

Wouter Pronk, ingénieur de terrain principal, Swagelok

Les opérateurs de systèmes de fluides exécutant une ligne de traitement à partir d'une source de bouteille de gaz peuvent occasionnellement observer le phénomène d'augmentation de la pression de sortie dans un régulateur de réduction de pression sans raison apparente. Au fur et à mesure que la bouteille se vide, la pression d'entrée du régulateur diminue. De nombreux techniciens qualifiés s'attendraient à ce que la pression de sortie diminue simultanément, mais au lieu de cela, la pression de sortie augmente. Cet événement est connu sous le nom d'effet de pression d'alimentation (SPE).

Qu'est-ce que l'effet de pression d'alimentation (SPE) ?

L'effet de la pression d'alimentation, également appelé dépendance à l'entrée, est défini comme le changement de pression de sortie dû à un changement de pression d'entrée ou d'alimentation. Sous ce phénomène, les changements de pression d'entrée et de sortie sont inversement proportionnels les uns aux autres. Si la pression d'entrée diminue, il y aura une augmentation correspondante de la pression de sortie. A l'inverse, si la pression d'entrée augmente, la pression de sortie diminue.

Le SPE d'un régulateur est généralement fourni par le fabricant. La SPE est généralement représentée sous la forme d'un rapport ou d'un pourcentage décrivant le changement de pression de sortie par changement de pression d'entrée. Par exemple, si un régulateur est décrit comme ayant un rapport 1:100 ou 1 % SPE, pour chaque 100 psi baisse de la pression d'entrée, la pression de sortie augmentera de 1 psi . Le degré de variation de la pression de sortie d'un régulateur peut être estimé à l'aide de la formule suivante :

Conception de clapet déséquilibré ou équilibré dans les régulateurs à ressort

L'un des types de régulateurs les plus courants est un régulateur de réduction de pression à ressort. Un ressort applique une force sur un élément de détection, soit un diaphragme, soit un piston, qui contrôle le champignon sur l'orifice, contrôlant ainsi la pression de sortie.

Dans une conception de clapet déséquilibré, la pression d'entrée pousse vers le haut sur le clapet et applique une pression sur une partie du clapet égale à la surface du siège. Par conséquent, toute diminution de la pression d'entrée signifie que moins de force pousse vers le haut sur le champignon, permettant au ressort de réglage puissant de pousser le champignon légèrement plus loin du siège, augmentant ainsi la pression de sortie. Cette augmentation de la pression de sortie qui en résulte n'est pas assez forte pour contrebalancer complètement la force du ressort réglée pour fermer le clapet à sa position d'origine. Le résultat est une augmentation de la pression de sortie due à la SPE.

Étant donné que les régulateurs fonctionnent sur un équilibre des forces, la quantité de SPE peut être déterminée par le rapport des zones sur lesquelles les pressions agissent sur le clapet et les zones de détection. C'est-à-dire que les régulateurs avec de grandes zones de détection et de petits clapets auront le SPE le plus bas et ceux avec de petites zones de détection et de grands clapets auront le SPE le plus élevé.

Pour démontrer l'effet d'une conception de clapet déséquilibrée sur la SPE, diminuez progressivement la pression d'entrée. À une pression d'entrée de 1160 psig (80 bar) , la pression de sortie est de 43,5 psig (3 bar) . Mais lorsque la pression d'entrée est réduite à 870 psig (60 bar) , la pression de sortie passe à 53,7 psig (3,7 bar) . Étant donné que la pression d'entrée agit sur toute la surface d'un clapet déséquilibré, tout changement de pression d'entrée produit un grand changement de force, entraînant un changement plus important dans l'équilibre des forces au sein du régulateur.

Une méthode courante pour réduire l'effet de la pression d'alimentation, en particulier dans les applications à débit élevé où les clapets sont généralement plus grands, consiste à utiliser un régulateur avec une conception de clapet équilibré. L'intention de cette conception de régulateur est de minimiser la zone sur laquelle la pression d'entrée élevée peut agir. Ceci est accompli en permettant à la pression de sortie inférieure d'atteindre une partie de la face inférieure du champignon à travers un orifice qui s'étend verticalement le long du champignon et scellé par un joint torique autour de la tige inférieure du champignon. En termes de SPE, tout changement de pression d'entrée entraînera un changement de force plus faible car la pression agit sur une zone beaucoup plus petite.

Pour démontrer l'impact de la SPE sur un régulateur à clapet équilibré, envisagez de diminuer progressivement la pression d'entrée, comme démontré précédemment avec la conception à clapet déséquilibré. Comme avant, à une pression d'entrée de 1160 psig (80 bar) , la pression de sortie est de 43,5 psig (3 bar) . Cependant, lorsque la pression d'entrée est réduite à 870 psig (60 bar) , la pression de sortie n'augmente qu'à 46,4 psig (3,2 bar) . En fait, même à une pression d'entrée de 725 psig (50 bar) , la pression de sortie continue de se maintenir à 46,4 psig (3,2 bar) .

Remarquez comment l'effet sur la pression de sortie avec un régulateur à clapet équilibré est atténué par rapport à l'agencement de régulateur précédent. Un avantage supplémentaire des régulateurs à clapet équilibrés est leur capacité à réduire le blocage, c'est-à-dire la tendance du clapet à se fermer brusquement lorsque le débit en aval diminue jusqu'à zéro. Un blocage excessif n'est pas souhaitable car il peut provoquer une pointe de pression de sortie lorsque le clapet se ferme rapidement. Pourtant, SPE sera toujours présent dans les régulateurs utilisés dans les systèmes de gaz, quelle que soit la conception du clapet. Même si un clapet/vanne est fermé très lentement, que ce soit dans un processus dynamique ou statique avec ou sans débit, une SPE se produira. Après le changement d'une bouteille vide pour une pleine, la pression de sortie réglée sera différente. Des décisions de conception éclairées peuvent simplement aider à réduire l'effet.

Régulation en une étape ou en deux étapes

La réduction de pression à deux étages est une bonne solution pour minimiser l'effet de la pression d'alimentation dans pratiquement toutes les applications. Cette méthode consiste à installer deux régulateurs à un étage en série ou à combiner les régulateurs en un seul ensemble. Un régulateur à deux étages, tel qu'un Swagelok ^® Le régulateur de la série KCY qui effectue une réduction de pression en deux étapes dans un seul corps est une option solide pour les applications à faible débit telles que les systèmes d'instrumentation analytique. Chaque régulateur contrôle la variation de la pression d'entrée dans une certaine mesure, mais ensemble, les deux régulateurs maintiennent la pression de sortie très proche du point de consigne d'origine.

Pour calculer la variabilité de la pression de sortie pour une configuration de régulateur à deux étages, la différence de pression d'entrée est multipliée par la SPE de chaque régulateur. Ceci est illustré dans l'équation suivante :

Gardez à l'esprit que SPE est une relation inverse entre les variables de pression d'entrée et de sortie. Le régulateur de premier étage rencontrera une augmentation de la pression de sortie à mesure que la bouteille de gaz se vide et que la pression d'entrée diminue. Cette augmentation sera introduite dans le deuxième étage et entraînera une diminution successive du côté sortie du régulateur du deuxième étage. Étant donné que le régulateur de premier étage subit le grand changement d'entrée et produit un plus petit changement de sortie, le régulateur de deuxième étage réagit uniquement au petit changement d'entrée du premier étage et montre une diminution de pression minimale du côté de la sortie. Dès que la pression d'entrée descend en dessous de la pression de réglage du régulateur de premier étage, la configuration agira comme un système de régulateur à un étage.

Pour démontrer l'effet de la pression d'alimentation, l'exemple ci-dessous utilise un régulateur de réduction de pression modèle KCY. La bouteille de gaz se vide à partir de 2500 psig (172 bar) à 500 psig (34 bars) . Supposons que chaque régulateur ait une SPE de 1 % . Avec un 2000 psig (137 bar) chute de pression d'entrée, le régulateur de premier étage subira une 20 psig (1,3 bar) augmentation de la pression de sortie. À la suite de cette augmentation, le régulateur de deuxième étage ne subira qu'une 0,20 psig (0,01 bar) diminution de la pression de sortie. Remarquez comment l'effet sur la pression de sortie est considérablement réduit par rapport aux arrangements de régulateur précédents.

En termes de contrôle de l'effet de la pression d'alimentation, une configuration de régulateur à deux étages donnera généralement un meilleur résultat qu'un seul régulateur de réduction de pression avec un clapet équilibré. Dans une application utilisant une bouteille de gaz pour alimenter plusieurs opérations sous la même pression de sortie, l'une ou l'autre option peut être suffisante.

D'autre part, les applications qui nécessitent une bouteille de gaz pour alimenter plusieurs opérations avec des pressions différentes devront utiliser deux régulateurs à un étage pour créer un système de régulateur à deux étages. Si tel est le cas, installez le régulateur de premier étage près de la bouteille de gaz et le régulateur de deuxième étage sur chacune des lignes de traitement ou au point d'utilisation. Pour minimiser le SPE, les systèmes sont souvent construits avec un régulateur à deux étages à la source d'alimentation en gaz et un régulateur à un étage au point d'utilisation. Cette configuration excessive équivaut à une régulation en trois étapes, ce qui est inutile pour la plupart des applications. Deux régulateurs à un étage en série produiront une SPE minimale à moindre coût.

En savoir plus sur la régulation de pression à un et deux étages :

Les avantages des systèmes de distribution de gaz sur mesure

Une autre option pour gérer SPE consiste à utiliser un système de distribution de gaz entièrement assemblé et testé composé de sous-systèmes modulaires conçus et configurés spécifiquement pour répondre aux besoins de votre application. Dans ces systèmes :

• Un module d'entrée source, tel que Swagelok ^® l'entrée de la source (SSI) ou le panneau d'entrée de la source établit une connexion entre la source de gaz à haute pression et le système de distribution. Pour une seule bouteille de gaz, l'assemblage peut être aussi simple qu'un tuyau et un connecteur, tandis que plusieurs bouteilles peuvent nécessiter un collecteur incorporant plusieurs tuyaux et vannes. Ces entrées peuvent être hautement configurables pour purger ou évacuer les gaz lors du changement de bouteilles, ce qui favorise la sécurité de l'opérateur, ou peuvent être créées pour évacuer des conduites individuelles afin de maximiser la disponibilité.
• Un panneau à gaz, tel que le Swagelok ^® panneau de gaz (SGP), effectue la première réduction de pression du gaz source et s'assure qu'il est livré au débit correct à l'étape suivante du système. C'est la partie d'un système de distribution de gaz où le SPE peut être le mieux contrôlé. La réduction de pression est accomplie soit en une étape avec un régulateur de pression unique, soit en deux étapes grâce à un agencement de régulateur de pression double. Ces panneaux de gaz sont faciles à entretenir, car n'importe quelle pièce peut être détachée et le panneau n'a jamais besoin d'être retiré. L'utilisation d'un SGP avec un régulateur à deux étages est un moyen très fiable de réduire la SPE.
• Un système de changement automatique, tel que Swagelok ^® Le sous-système de commutation (SCO), passe d'une source de gaz à une autre pour assurer un approvisionnement ininterrompu. Deux régulateurs de pression avec boutons de réglage sont connectés l'un à l'autre, mais contrôlent l'entrée de sources d'alimentation en gaz séparées (constituées d'une ou plusieurs bouteilles de gaz). Un régulateur est réglé sur une pression inférieure à l'autre, celui réglé sur la pression la plus élevée fournissant initialement du gaz à la connexion de sortie commune et celui réglé sur la pression la plus basse fournissant du gaz une fois que l'alimentation en gaz du régulateur de réglage supérieur est épuisée. En ajustant la poignée de réglage à 180°, le réglage de la pression des deux régulateurs est inversé, ce qui permet d'échanger les bouteilles vides pendant que le système continue de fonctionner. Des sous-systèmes de changement bien conçus vous permettront de spécifier des points de consigne de changement pour réduire le gaspillage de gaz laissé dans les bouteilles.
• Enfin, un système de point d'utilisation, tel que Swagelok ^® L'assemblage au point d'utilisation (SPU) fournit une dernière étape de contrôle de la pression avant l'utilisation du gaz. Ces systèmes comprennent généralement un régulateur, un manomètre et une vanne d'isolement et offrent une méthode pratique et précise de réglage de la pression pour répondre aux besoins de l'application.

Conclusion

Avec le régulateur contrôlant la pression de sortie d'une bouteille de gaz, l'effet de pression d'alimentation est un phénomène qui sera toujours présent. Chaque fois qu'il y a un changement de pression d'entrée, il y aura un changement correspondant de pression de sortie. Vous pouvez minimiser l'effet de la pression d'alimentation pour de nombreuses applications en utilisant un régulateur à un étage avec une conception à clapet équilibré, en utilisant un régulateur à deux étages ou en utilisant des panneaux de gaz entièrement configurables comme ceux disponibles via Swagelok ^{® programme de distribution de gaz. Si votre source de gaz dessert plusieurs opérations avec des exigences de pression différentes, vous aurez peut-être besoin de plusieurs régulateurs à un étage, un près de la source de gaz et un autre sur chaque ligne de traitement, ou vous pouvez utiliser des sous-systèmes de distribution de gaz préassemblés conçus pour fonctionner efficacement dans ces cas.}

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