Guide expert pour la configuration des détendeurs de contre-pression pour ingénieurs d'échantillonnage

Configuration du détendeur de contre-pression : conseils pour ingénieurs de systèmes d'échantillonnage

Jon Kestner, Responsable Produit

Les détendeurs de contre-pression jouent un rôle important dans le maintien de la pression en amont et la protection d'équipements sensibles dans les systèmes d'échantillonnage utilisés dans de nombreuses installations industrielles. Pour faire bon usage d'un détendeur de contre-pression, les ingénieurs de systèmes d'échantillonnage doivent cependant se méfier de quelques erreurs de conception courantes. Celles-ci incluent :

• Négliger l'importance d'un dispositif restrictif de débit en amont
• Permettre trop de débit à travers l'analyseur
• Placer un détendeur de réduction de pression en série avec un détendeur de contre-pression sans résistance de débit entre les deux dispositifs

Dans cet article, nous discuterons des meilleures pratiques pour concevoir et construire un système d'échantillonnage utilisant un détendeur de contre-pression et comment éviter ces erreurs de conception courantes.

Configuration d'un détendeur de contre-pression

Contrairement aux détendeurs de réduction de pression, un détendeur de contre-pression contrôle la pression d'entrée (pression en amont) et est généralement installé à la fin d'une ligne. D'un autre côté, un détendeur de réduction de pression contrôle la pression de sortie (pression en aval) et est généralement installé au début d'une ligne. Les deux types fonctionnent pour équilibrer les forces résultant de la pression système avec la force de charge dans le ressort créée lors de l'établissement de la consigne.

Si cet équilibre est perturbé en raison d'une pression externe augmentant ou diminuant, la vanne ou le pointeau du détendeur se déplacera soit vers, soit loin du siège. Selon la nature du mouvement, cela permettra au débit de traverser l'orifice du détendeur plus ou moins facilement jusqu'à ce que le détendeur rétablisse l'équilibre.

La Figure 1 montre une configuration typique de détendeur de contre-pression pour un système d'échantillonnage analytique. Lorsqu'il y a un débit non utilisé par l'analyseur (voir A dans la figure 1), le travail du détendeur est de détourner ce débit vers un bypass. À mesure que la pression source change, le détendeur modifie alors la quantité de débit détournée pour garantir qu'une pression constante est maintenue à l'entrée du détendeur et donc un débit constant atteint l'analyseur.

Un détendeur de contre-pression nécessite une restriction de débit (généralement une vanne à aiguille) en amont pour aider à gérer la pression d'entrée (voir R1 dans la figure 1). S'il n'y a pas de restriction entre le détendeur et le système (même une longue longueur de tubage pourrait avoir une chute de pression minimale dans les systèmes gaz), le détendeur s'ouvrira au maximum dans une tentative de déplacer assez de gaz pour faire chuter la pression en amont. Cela ne sera pas efficace. Avec une restriction en place, cependant, le débit accru entraînera une chute de pression accrue sur cette restriction, aidant à faire chuter la pression en aval.

Une erreur que les concepteurs de systèmes d'échantillonnage font souvent est d'omettre les restrictifs de débit, pensant que le détendeur de contre-pression peut contrôler la pression en amont directement. Mais sans le restrictif, quand le débit système change, il y aurait peu ou pas de changement de pression. Le détendeur continuerait à gaspiller le fluide de processus dans une tentative d'augmenter le débit alors que la pression d'entrée qu'il essaie de contrôler ne montrerait aucun changement. Cela peut résulter en un détendeur grand ouvert.

Permettre beaucoup de débit à travers le restrictif de l'analyseur (voir R2 dans la figure 1) est une autre erreur de conception car cela peut faire chuter la pression d'entrée du détendeur en dessous de sa consigne. Cela peut résulter en la fermeture complète du détendeur, restreignant le débit de vent. Pour un meilleur contrôle, le restrictif en amont (R1) devrait être dimensionné pour permettre un certain débit à travers le détendeur même au débit maximum de l'analyseur.

Pour configurer un système fonctionnel comme celui montré en figure 1, les concepteurs devraient commencer par fermer R2, ajuster R1 pour permettre suffisamment de débit de bypass pour le temps de réponse d'analyse souhaité, puis affiner R2 pour le débit d'analyseur désiré. Le débit de bypass devrait automatiquement baisser du même montant. Si nécessaire, ouvrez lentement R1 jusqu'à ce que le débit de bypass soit au moins aussi rapide que le débit de vent de l'analyseur. Cela permettra au détendeur de contrôler sa pression d'entrée quand la pression source change. Si vous attendez que la pression source change largement, ajustez R1 pour générer un petit débit de bypass à la pression source la plus basse anticipée.

Avec la pression contrôlée par le détendeur de contre-pression en combinaison avec les restrictifs R1 et R2, nous pouvons contrôler le débit vers l'analyseur et vers la ligne de vent.

Puisque ces trois composants contrôlent le débit vers l'analyseur et le débit de bypass, une vanne à aiguille ou autre dispositif restrictif dans la ligne de vent de bypass n'est pas nécessaire. Cependant, un débitmètre de bypass sans vanne à aiguille est utile pour confirmer que le détendeur laisse passer du débit et contrôle sa pression d'entrée.

Utilisation de détendeurs de réduction et de contre-pression en série

Comme montré en figure 2, une autre erreur de conception se produit lorsqu'un détendeur de contre-pression est placé immédiatement après un détendeur de réduction de pression. Puisque deux détendeurs ne peuvent pas contrôler la même pression — l'un des deux doit perdre.

Pour démontrer cette perte, considérons deux situations. Premièrement, si le point de consigne du détendeur de contre-pression est plus élevé que la pression entrant de l'amont, il restera fermé car il n'y a pas de force suffisante pour soulever le pointeau du siège et permettre le débit. Dans ce scénario, il n'y aura pas de débit de bypass, le détendeur restant fermé.

Dans la seconde situation, le point de consigne du détendeur de contre-pression est plus bas. Comme le débit augmente maintenant, la pression de livraison du détendeur de réduction diminuera au taux de la courbe d'affaissement de l'amont. Le débit augmente drastiquement, poussant le détendeur de contre-pression sur sa courbe d'accumulation et augmentant sa pression d'entrée.

Le résultat de cette augmentation dépend des réglages des deux détendeurs :

• Si les deux réglages sont proches, le débit montera jusqu'à ce que la pression d'affaissement du premier corresponde à la pression d'accumulation du second. Mais cela résulte en un débit très élevé.
• Si les deux réglages sont plus éloignés, le débit montera jusqu'à ce que ce détendeur ne soit plus en contrôle. Un détendeur contrôlera la pression et l'autre deviendra un restrictif de débit.

Le débit de bypass dépend de la différence entre les deux points de consigne. Il augmente jusqu'à ce que les détendeurs « déclarent une trêve ». Quand la pression amont change ou que le débit vers l'analyseur varie, les deux détendeurs essaient de maintenir une pression intermédiaire entre leurs consignes, mais avec des résultats incertains. Ceci est illustré en figure 3.

Cela ne signifie pas que les deux détendeurs ne peuvent pas fonctionner en série, mais la seule façon pour que cela réussisse est d'avoir un restrictif de débit entre eux. La figure 4 montre ce scénario où, sous les bons réglages, les deux détendeurs fonctionnent comme ils le devraient, et la pression est constante à chaque extrémité des deux restrictifs. La constance de cette pression permet un débit stable et protège l'analyseur des variations de pression source et de vent.

Un système fonctionnant correctement

Pour garantir le bon fonctionnement d'un détendeur de contre-pression, le système d'échantillonnage doit être soigneusement conçu pour s'assurer que le détendeur fait son travail de contrôle de pression. Une pression trop haute ou trop basse peut causer des dommages ou des retards dans le système.

Si vous avez des questions lors de la configuration de détendeurs dans vos systèmes d'échantillonnage, nous pouvons vous aider. Les ingénieurs terrain Swagelok peuvent visiter vos installations pour évaluer votre système d'échantillonnage, conseiller sur la conception ou dépanner. Alternativement, vous pouvez tout apprendre sur la conception et l'utilisation des systèmes d'échantillonnage via nos formations Process Analyzer Sampling System (PASS) ou Sampling System Problem Solving and Maintenance (SSM).