Gérer l'effet de pression d'alimentation dans les détendeurs industriels pour un contrôle de pression gaz constant

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

Wouter Pronk, Ingénieur Terrain Senior, Swagelok

Les opérateurs de systèmes fluides faisant fonctionner une ligne de processus depuis une source de cylindre à gaz peuvent occasionnellement observer le phénomène de pression de sortie augmentant dans un détendeur de réduction de pression sans raison apparente. À mesure que le cylindre se vide, la pression d'entrée au détendeur diminue. De nombreux techniciens qualifiés s'attendraient à ce que la pression de sortie diminue concomitamment, mais au lieu de cela, elle augmente. Cette occurrence est connue sous le nom d'effet de pression d'alimentation (SPE).

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

L'effet de pression d'alimentation, aussi 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. Si la pression d'entrée diminue, il y aura une augmentation correspondante de la pression de sortie. Inversement, si la pression d'entrée augmente, la pression de sortie diminue.

Le SPE d'un détendeur est généralement fourni par le fabricant. Il est habituellement dépeint comme un ratio ou pourcentage décrivant le changement de pression de sortie par changement de pression d'entrée. Par exemple, si un détendeur est décrit comme ayant un SPE 1:100 ou 1%, pour chaque 100 psi de baisse de pression d'entrée, la pression de sortie augmentera de 1 psi. Le degré de variation de la pression de sortie pour un détendeur peut être estimé avec la formule suivante :

Conception à pointeau non équilibré vs équilibré dans les détendeurs à ressort

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

Dans une conception à pointeau non équilibré, la pression d'entrée pousse vers le haut sur le pointeau et applique une pression sur une portion du pointeau égale à la surface du siège. En résultat, toute diminution de pression d'entrée signifie moins de force poussant sur le pointeau, permettant au fort ressort de consigne de pousser le pointeau légèrement plus loin du siège — augmentant ainsi la pression de sortie. Cette hausse résultante n'est pas assez forte pour contrebalancer totalement la force du ressort pour fermer le pointeau à sa position d'origine. Le résultat est une augmentation de la pression de sortie due au SPE.

Puisque les détendeurs opèrent sur un équilibre de forces, le montant de SPE peut être déterminé par le ratio des surfaces sur lesquelles les pressions agissent sur le pointeau et les zones de détection. Cela signifie que les détendeurs avec de grandes zones de détection et de petits pointeaux auront le SPE le plus bas, et ceux avec de petites zones de détection et de grands pointeaux auront le SPE le plus haut.

Pour démontrer l'effet d'une conception à pointeau non équilibré sur le SPE, diminuez progressivement la pression d'entrée. À une pression d'entrée de 80 bar (1160 psig), la pression de sortie est 3 bar (43,5 psig). Mais quand la pression d'entrée est réduite à 60 bar (870 psig), la pression de sortie saute à 3,7 bar (53,7 psig). Puisque la pression d'entrée agit sur toute la surface d'un pointeau non équilibré, tout changement de pression d'entrée produit un grand changement de force, entraînant un plus grand décalage dans l'équilibre des forces dans le détendeur.

Une méthode courante pour réduire l'effet de pression d'alimentation, surtout dans les applications à haut débit où les pointeaux sont généralement plus grands, est d'utiliser un détendeur avec une conception à pointeau équilibré. L'intention de cette conception est de minimiser la surface sur laquelle la haute pression d'entrée peut agir. Cela est accompli en permettant à la pression de sortie plus basse d'atteindre une partie de la face inférieure du pointeau à travers un orifice qui court verticalement le long du pointeau et scellé par un joint torique autour de la tige inférieure. En termes de SPE, tout changement de pression d'entrée résultera en un plus petit changement de force car la pression agit sur une surface beaucoup plus petite.

Pour démontrer comment le SPE impacte un détendeur à pointeau équilibré, imaginez diminuer progressivement la pression d'entrée comme précédemment. Tout comme avant, à une pression d'entrée de 80 bar (1160 psig), la pression de sortie est 3 bar (43,5 psig). Cependant, quand la pression d'entrée est réduite à 60 bar (870 psig), la pression de sortie n'augmente qu'à 3,2 bar (46,4 psig). En fait, même à une pression d'entrée de 50 bar (725 psig), la pression de sortie continue de tenir à 3,2 bar (46,4 psig).

Remarquez comment l'effet sur la pression de sortie avec un détendeur à pointeau équilibré est atténué par rapport à l'arrangement précédent. Un avantage additionnel des détendeurs à pointeau équilibré est leur capacité à réduire le verrouillage (lockup) — la tendance du pointeau à se fermer brutalement quand le débit aval diminue à zéro. Un verrouillage excessif est indésirable car il peut causer un pic de pression de sortie quand le pointeau se ferme rapidement. Néanmoins, le SPE sera toujours présent dans les détendeurs utilisés dans les systèmes gaz, indépendamment de la conception du pointeau/soupape. Même si un pointeau/soupape se ferme très lentement, que ce soit dans un processus dynamique ou statique avec ou sans débit, le SPE se produira. Après le changement d'un cylindre vide pour un plein, la pression de sortie réglée sera différente. Des décisions de conception éclairées peuvent simplement aider à réduire l'effet.

Régulation mono-étage vs deux étages

La réduction de pression en deux étages est une bonne solution pour minimiser l'effet de pression d'alimentation dans pratiquement toute application. Cette méthode implique l'installation de deux détendeurs mono-étage en série ou leur combinaison en un seul assemblage. Un détendeur à double étage — tel qu'un détendeur Swagelok® série KCY qui effectue une réduction en deux étages dans un seul corps — est une option forte pour les applications à faible débit comme les systèmes d'instrumentation analytique. Chaque détendeur contrôle la variation de pression d'entrée à un certain degré, mais ensemble, les deux maintiennent la pression de sortie très proche du point de consigne original.

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

Gardez à l'esprit que le SPE est une relation inverse entre les variables de pression d'entrée et de sortie. Le premier étage rencontrera une augmentation de pression de sortie à mesure que le cylindre se vide et que la pression d'entrée diminue. Cette augmentation sera alimentée dans le second étage et résultera en une diminution subséquente du côté sortie du second étage. Parce que le premier étage subit le grand changement d'entrée et sort un plus petit changement de sortie, le second étage ne réagit qu'au petit changement d'entrée du premier étage et montre une diminution minimale de pression du côté sortie. Dès que la pression d'entrée tombe en dessous de la consigne du premier étage, la configuration agira comme un système à un étage.

Pour démontrer l'effet de pression d'alimentation, l'exemple ci-dessous utilise un détendeur KCY. Le cylindre se vide de 172 bar (2500 psig) à 34 bar (500 psig). Supposons que chaque détendeur a un SPE de 1%. Avec une chute de pression d'entrée de 137 bar (2000 psig), le premier étage subira une augmentation de 1,3 bar (20 psig) de pression de sortie. Comme résultat, le second étage ne subira qu'une diminution de 0,01 bar (0,20 psig) de pression de sortie. Remarquez comme l'effet sur la pression de sortie est dramatiquement atténué par rapport aux arrangements précédents.

En termes de contrôle de l'effet de pression d'alimentation, une configuration à deux étages atteindra généralement un meilleur résultat qu'un détendeur mono-étage à pointeau équilibré. Dans une application utilisant un cylindre pour alimenter plusieurs opérations sous la même pression de sortie, l'une ou l'autre option peut suffire.

D'un autre côté, les applications nécessitant qu'un cylindre alimente plusieurs opérations avec différentes pressions devront utiliser deux détendeurs mono-étage pour faire un système à deux étages. Si c'est le cas, installez le premier étage près du cylindre et le second sur chaque ligne de processus ou au point d'utilisation. Pour minimiser le SPE, les systèmes sont souvent construits avec un détendeur à deux étages à la source et un mono-étage au point d'utilisation. Cette configuration excessive équivaut à une régulation trois étages — inutile pour la plupart des applications. Deux détendeurs mono-étage en série donneront un SPE minimal à un coût inférieur.

En savoir plus sur la régulation mono et deux étages :

Les avantages des systèmes de distribution de gaz conçus

Une autre option pour gérer le SPE est d'employer 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 l'entrée source Swagelok® (SSI), ou panneau d'entrée source établit une connexion entre la source de gaz haute pression et le système de distribution. Pour un seul cylindre, l'assemblage peut être aussi simple qu'un flexible et connecteur, tandis que plusieurs cylindres peuvent nécessiter un collecteur incorporant plusieurs flexibles et vannes. Ces entrées peuvent être hautement configurables pour purger ou ventiler les gaz lors du changement de bouteilles — favorisant la sécurité de l'opérateur — ou créées pour ventiler des lignes individuelles pour maximiser la disponibilité.
• Un panneau de gaz, tel que le panneau de gaz Swagelok® (SGP), effectue la première réduction de pression du gaz source et assure qu'il est livré au débit correct à l'étape suivante. C'est la partie d'un système de distribution où le SPE peut être le mieux contrôlé. La réduction est accomplie soit en un étage avec un détendeur unique, soit en deux étages via un arrangement à double détendeur. Ces panneaux sont faciles à entretenir, car toute pièce peut être détachée sans retirer le panneau. Utiliser un SGP avec un détendeur à double étage est un moyen hautement fiable de réduire le SPE.
• Un système de changement automatique, tel que le sous-système Swagelok® Changeover (SCO), bascule d'une source à une autre pour assurer un approvisionnement ininterrompu. Deux détendeurs avec molettes de réglage sont connectés l'un à l'autre, mais contrôlent l'entrée de sources distinctes (composées d'un ou plusieurs cylindres). L'un est réglé à une pression plus basse que l'autre, celui à la pression plus haute fournissant initialement le gaz à la sortie partagée et l'autre prenant le relais quand la source du premier s'épuise. En ajustant la molette de 180°, les réglages sont inversés, permettant l'échange de cylindres vides pendant que le système continue de fonctionner. Les sous-systèmes de changement bien conçus vous permettront de spécifier les points de changement pour réduire le gaz gaspillé dans les cylindres.
• Enfin, un système de point d'utilisation, tel que l'assemblage Swagelok® Point-of-Use (SPU), fournit un étage final de contrôle de pression avant l'utilisation du gaz. Ces systèmes incluent généralement un détendeur, un manomètre, et une vanne d'isolement et offrent une méthode pratique et précise d'ajustement de la pression pour répondre aux besoins de l'application.

Conclusion

Avec le détendeur contrôlant la pression de sortie depuis un cylindre, 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 le SPE pour de nombreuses applications en utilisant un détendeur mono-étage à pointeau équilibré, un détendeur à deux étages, ou des panneaux de gaz entièrement configurables comme ceux disponibles via le programme de distribution de gaz Swagelok®. Si votre source de gaz alimente plusieurs opérations avec différentes exigences de pression, vous pourriez avoir besoin de plusieurs détendeurs mono-étage — un près de la source et un autre sur chaque ligne — ou vous pouvez utiliser des sous-systèmes de distribution pré-assemblés conçus pour performer efficacement dans ces cas.

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