Cómo administrar el efecto de la presión de suministro (SPE) en los reguladores reductores de presión utilizados para mantener el control de la presión del gas en los sistemas de gas industrial

Cómo gestionar el efecto de presión de suministro (SPE) en los reguladores reductores de presión utilizados en los sistemas de gases industriales

Wouter Pronk, ingeniero de campo sénior, Swagelok

Los operadores de sistemas de fluidos que ejecutan una línea de proceso desde una fuente de cilindro de gas pueden ocasionalmente observar el fenómeno del aumento de la presión de salida en un regulador reductor de presión sin razón aparente. A medida que el cilindro se vacía, la presión de entrada al regulador disminuye. Muchos técnicos expertos esperarían que la presión de salida disminuyera al mismo tiempo, pero en cambio, la presión de salida aumenta. Esta ocurrencia se conoce como efecto de presión de suministro (SPE).

¿Qué es el efecto de presión de suministro (SPE)?

El efecto de la presión de suministro, también conocido como dependencia de entrada, se define como el cambio en la presión de salida debido a un cambio en la presión de entrada o de suministro. Bajo este fenómeno, los cambios de presión de entrada y salida son inversamente proporcionales entre sí. Si la presión de entrada disminuye, habrá un aumento correspondiente de la presión de salida. Por el contrario, si la presión de entrada aumenta, la presión de salida disminuye.

El SPE de un regulador generalmente lo proporciona el fabricante. SPE generalmente se representa como una relación o porcentaje que describe el cambio en la presión de salida por cambio en la presión de entrada. Por ejemplo, si se describe que un regulador tiene un 1:100 o 1% SPE, por cada 100 psi caída en la presión de entrada, la presión de salida aumentará en 1 psi . El grado de variación de la presión de salida de un regulador se puede estimar con la siguiente fórmula:

Diseño de asiento desequilibrado frente a equilibrado en reguladores accionados por resorte

Uno de los tipos más comunes de reguladores es un regulador reductor de presión accionado por resorte. Un resorte aplica fuerza sobre un elemento sensor, ya sea un diafragma o un pistón, que controla el asiento sobre el orificio y, por lo tanto, controla la presión de salida.

En un diseño de asiento desequilibrado, la presión de entrada empuja hacia arriba el asiento y aplica presión a una parte del asiento igual al área del asiento. Como resultado, cualquier disminución en la presión de entrada significa que menos fuerza está empujando hacia arriba el asiento, lo que permite que el fuerte resorte de ajuste empuje el asiento un poco más lejos del asiento, lo que aumenta la presión de salida. Este aumento resultante en la presión de salida no es lo suficientemente fuerte como para contrarrestar completamente la fuerza del resorte establecida para cerrar el asiento a su posición original. El resultado es un aumento en la presión de salida debido a SPE.

Debido a que los reguladores operan en un equilibrio de fuerzas, la cantidad de SPE se puede determinar por la proporción de áreas en las que las presiones actúan sobre el asiento y las áreas de detección. Es decir, los reguladores con áreas de detección grandes y válvulas de disco pequeñas tendrán el SPE más bajo y aquellos con áreas de detección pequeñas y válvulas de disco grandes tendrán el SPE más alto.

Para demostrar el efecto de un diseño de asiento desequilibrado en SPE, disminuya gradualmente la presión de entrada. A una presión de entrada de 1160 psig (80 bar) , la presión de salida es 43,5 psig (3 bar) . Pero cuando la presión de entrada se reduce a 870 psig (60 bar) , la presión de salida salta a 53,7 psig (3,7 bar) . Dado que la presión de entrada actúa sobre toda la superficie de un cabezal desequilibrado, cualquier cambio en la presión de entrada produce un gran cambio en la fuerza, lo que genera un cambio mayor en el equilibrio de fuerzas dentro del regulador.

Un método común para reducir el efecto de la presión de suministro, especialmente en aplicaciones de mayor caudal donde los cabezales son generalmente más grandes, es usar un regulador con un diseño de cabezal equilibrado. La intención del diseño de este regulador es minimizar el área sobre la que puede actuar la alta presión de entrada. Esto se logra permitiendo que la presión de salida inferior alcance una parte de la parte inferior del asiento a través de un orificio que corre verticalmente a lo largo del asiento y sellado por una junta tórica alrededor del vástago inferior del asiento. En términos de SPE, cualquier cambio en la presión de entrada dará como resultado un cambio menor en la fuerza porque la presión actúa en un área mucho más pequeña.

Para demostrar cómo la SPE impacta en un regulador de asiento balanceado, imagine disminuir gradualmente la presión de entrada como se demostró anteriormente con el diseño de asiento no balanceado. Igual que antes, a una presión de entrada de 80 bar (1160 psig) , la presión de salida es 43,5 psig (3 bar) . Sin embargo, cuando la presión de entrada se reduce a 870 psig (60 bar) , la presión de salida solo aumenta a 46,4 psig (3,2 bar) . De hecho, incluso a una presión de entrada de 725 psig (50 bar) , la presión de salida sigue manteniéndose constante en 46,4 psig (3,2 bar) .

Observe cómo se reduce el efecto sobre la presión de salida con un regulador de asiento equilibrado con respecto a la disposición del regulador anterior. Un beneficio adicional de los reguladores de asiento equilibrados es su capacidad para reducir el bloqueo:la tendencia del asiento a cerrarse bruscamente a medida que el flujo aguas abajo se reduce a cero. El bloqueo excesivo no es deseable porque puede causar un pico en la presión de salida a medida que la válvula se cierra rápidamente. Aún así, SPE siempre estará presente en los reguladores utilizados en los sistemas de gas, independientemente del diseño del asiento. Incluso si una válvula de asiento/válvula se cierra muy lentamente, ya sea en un proceso dinámico o estático con flujo o sin flujo, se producirá SPE. Después del cambio de un cilindro vacío por uno lleno, la presión de salida establecida será diferente. Las decisiones de diseño informadas pueden simplemente ayudar a reducir el efecto.

Regulación de una etapa frente a dos etapas

La reducción de presión en dos etapas es una buena solución para minimizar el efecto de la presión de suministro en prácticamente cualquier aplicación. Este método implica la instalación de dos reguladores de una sola etapa en serie o la combinación de los reguladores en un solo conjunto. Un regulador de dos etapas, como un Swagelok ^® El regulador de la serie KCY que realiza una reducción de presión de dos etapas en un solo cuerpo es una opción sólida para aplicaciones de bajo flujo, como los sistemas de instrumentación analítica. Cada regulador controla la variación de la presión de entrada hasta cierto punto, pero juntos, los dos reguladores mantienen la presión de salida muy cerca del punto de ajuste original.

Para calcular la variabilidad de la presión de salida para una configuración de regulador de dos etapas, la diferencia de presión de entrada se multiplica por el SPE de cada regulador. Esto se ilustra en la siguiente ecuación:

Tenga en cuenta que SPE es una relación inversa entre las variables de presión de entrada y salida. El regulador de primera etapa encontrará un aumento en la presión de salida a medida que el cilindro de gas se vacía y la presión de entrada disminuye. Este aumento se alimentará a la segunda etapa y dará como resultado una disminución sucesiva en el lado de salida del regulador de segunda etapa. Debido a que el regulador de primera etapa experimenta el gran cambio de entrada y genera un cambio de salida más pequeño, el regulador de segunda etapa reacciona solo al pequeño cambio de entrada de la primera etapa y muestra una disminución mínima de la presión en el lado de salida. Tan pronto como la presión de entrada caiga por debajo de la presión de ajuste del regulador de primera etapa, la configuración actuará como un sistema regulador de una etapa.

Para demostrar el efecto de la presión de suministro, el siguiente ejemplo utiliza un regulador reductor de presión modelo KCY. El cilindro de gas se vacía desde 2500 psig (172 bar) a 500 psig (34 bares) . Suponga que cada regulador tiene un 1% SPE . Con un 2000 psig (137 bar) caída de presión de entrada, el regulador de primera etapa experimentará una 20 psig (1,3 bar) aumento de la presión de salida. Como resultado de ese aumento, el regulador de segunda etapa solo experimentará una 0,20 psig (0,01 bar) disminución de la presión de salida. Observe cómo el efecto sobre la presión de salida se reduce drásticamente con respecto a los arreglos de reguladores anteriores.

En términos de controlar el efecto de la presión de suministro, una configuración de regulador de dos etapas generalmente logrará un mejor resultado que un solo regulador reductor de presión con un asiento balanceado. En una aplicación que utiliza un cilindro de gas para múltiples operaciones bajo la misma presión de salida, cualquier opción puede ser suficiente.

Por otro lado, las aplicaciones que requieren un cilindro de gas para suministrar múltiples operaciones con diferentes presiones necesitarán usar dos reguladores de una sola etapa para hacer un sistema regulador de dos etapas. Si este es el caso, instale el regulador de primera etapa cerca del cilindro de gas y el regulador de segunda etapa en cada una de las líneas de proceso o en el punto de uso. Para minimizar el SPE, los sistemas a menudo se construyen con un regulador de dos etapas en la fuente de suministro de gas y un regulador de una etapa en el punto de uso. Esta configuración excesiva equivale a una regulación de tres etapas, que es innecesaria para la mayoría de las aplicaciones. Dos reguladores de una sola etapa en serie producirán un SPE mínimo a un costo menor.

Obtenga más información sobre la regulación de presión de una y dos etapas:

Los beneficios de los sistemas de distribución de gas diseñados

Otra opción para administrar SPE es emplear un sistema de distribución de gas totalmente ensamblado y probado compuesto por subsistemas modulares diseñados y configurados específicamente para satisfacer las necesidades de su aplicación. En estos sistemas:

• Un módulo de entrada de fuente, como el Swagelok ^® entrada de la fuente (SSI) o panel de entrada de la fuente establece una conexión entre la fuente de gas a alta presión y el sistema de distribución. Para un solo cilindro de gas, el ensamblaje puede ser tan simple como una manguera y un conector, mientras que varios cilindros pueden requerir un colector que incorpore múltiples mangueras y válvulas. Estas entradas se pueden configurar en gran medida para purgar o ventilar gases al cambiar las botellas, lo que promueve la seguridad del operador, o se pueden crear para ventilar líneas individuales y maximizar el tiempo de actividad.
• Un panel de gas, como el Swagelok ^® panel de gas (SGP), completa la primera reducción de presión de la fuente de gas y asegura que se entrega con el caudal correcto a la siguiente etapa del sistema. Esta es la parte de un sistema de distribución de gas donde mejor se puede controlar SPE. La reducción de presión se logra en una etapa con un solo regulador de presión o en dos etapas a través de un arreglo de regulador de presión dual. Estos paneles de gas son fáciles de mantener, ya que cualquier parte se puede quitar y nunca es necesario quitar el panel. Usar un SGP con un regulador de doble etapa es un medio altamente confiable para reducir el SPE.
• Un sistema de cambio automático, como el Swagelok ^® Subsistema de cambio (SCO), cambia de una fuente de gas a otra para garantizar un suministro ininterrumpido. Dos reguladores de presión con perillas fijas están conectados entre sí, pero controlan la entrada de fuentes de suministro de gas separadas (que consisten en uno o más cilindros de gas). Un regulador está ajustado a una presión más baja que el otro, con el ajustado a la presión más alta inicialmente suministrando gas a la conexión de salida compartida y el ajustado a la presión más baja suministrando gas una vez que se acaba el suministro de gas del regulador ajustado. Al ajustar la manija de ajuste 180°, se invierte el ajuste de presión de los dos reguladores, lo que permite intercambiar cilindros vacíos mientras el sistema sigue funcionando. Los subsistemas de cambio bien diseñados le permitirán especificar puntos de ajuste de cambio para reducir el desperdicio de gas que queda en los cilindros.
• Finalmente, un sistema de punto de uso, como el Swagelok ^® El ensamblaje de punto de uso (SPU) proporciona una etapa final de control de presión antes de que se use el gas. Estos sistemas generalmente incluyen un regulador, un manómetro y una válvula de aislamiento y ofrecen un método conveniente y preciso para ajustar la presión para satisfacer las necesidades de la aplicación.

Conclusión

Con el regulador controlando la presión de salida de un cilindro de gas, el efecto de la presión de suministro es un fenómeno que siempre estará presente. Siempre que haya un cambio en la presión de entrada, habrá un cambio correspondiente en la presión de salida. Puede minimizar el efecto de la presión de suministro para muchas aplicaciones utilizando un regulador de una etapa con un diseño de asiento equilibrado, un regulador de dos etapas o paneles de gas totalmente configurables como los disponibles a través de Swagelok ^{® programa de distribución de gas. Si su fuente de gas está dando servicio a múltiples operaciones con diferentes requisitos de presión, es posible que necesite varios reguladores de una sola etapa, uno cerca de la fuente de gas y otro en cada línea de proceso, o puede usar subsistemas de distribución de gas preensamblados diseñados para funcionar de manera efectiva en estos casos.}

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