Guía experta para configuración de reguladores de contrapresión para ingenieros de muestreo

Configuración de regulador de contrapresión: consejos para ingenieros de sistemas de muestreo

Jon Kestner, Gerente de Producto

Los reguladores de contrapresión juegan un papel importante en el mantenimiento de la presión aguas arriba y la protección de equipos sensibles en sistemas de muestreo usados en muchas instalaciones industriales. Para hacer un uso adecuado de un regulador de contrapresión, sin embargo, los ingenieros de sistemas de muestreo deben tener cuidado con algunos errores comunes de diseño de sistemas de muestreo. Estos incluyen:

• Pasar por alto la importancia de un dispositivo restrictivo de flujo aguas arriba
• Permitir demasiado flujo a través del analizador
• Colocar un regulador reductor de presión en serie con un regulador de contrapresión sin resistencia de flujo entre los dos dispositivos

En esta publicación de blog, discutiremos las mejores prácticas para diseñar y construir un sistema de muestreo usando un regulador de contrapresión y cómo evitar estos errores comunes de diseño.

Configurando un regulador de contrapresión

A diferencia de los reguladores reductores de presión, un regulador de contrapresión controla la presión de entrada (presión aguas arriba) y generalmente se instala al final de una línea. Por otro lado, un regulador reductor de presión controla la presión de salida (presión aguas abajo) y generalmente se instala al principio de una línea. Ambos tipos de reguladores trabajan para equilibrar las fuerzas resultantes de la presión del sistema con la fuerza de carga en el resorte creada al establecer la presión de consigna.

Si este equilibrio se altera debido a que la presión externa aumenta o disminuye, la válvula o vástago del regulador se moverá ya sea más cerca o más lejos del asiento. Dependiendo de la naturaleza del movimiento de la válvula, esto permitirá que el fluido se mueva a través del orificio del regulador más fácilmente o menos fácilmente hasta que el regulador restablezca el equilibrio.

La Figura 1 muestra una configuración típica de regulador de contrapresión para un sistema de muestreo analítico. Cuando hay flujo que no está siendo usado por el analizador (ver A en la figura 1), el trabajo del regulador es desviar ese flujo a un bypass. A medida que la presión de la fuente cambia, el regulador también cambia la cantidad de flujo desviado para asegurar que se mantenga una presión constante en la entrada del regulador y, por lo tanto, un flujo consistente llegue al analizador.

Un regulador de contrapresión requiere alguna restricción de flujo (típicamente una válvula de aguja) aguas arriba para ayudar a gestionar la presión de entrada (ver R1 en la figura 1). Si no hay restricción entre el regulador de contrapresión y el sistema (incluso una larga longitud de tubería podría tener una caída de presión mínima dentro de sistemas de gas), el regulador de contrapresión se abrirá ampliamente en un intento de mover suficiente gas para bajar la presión aguas arriba. Esto no será efectivo. Con una restricción en su lugar, sin embargo, la tasa de flujo aumentada resultará en una caída de presión aumentada sobre esa restricción, ayudando a bajar la presión aguas abajo.

Un error que los diseñadores de sistemas de muestreo a menudo cometen es omitir los restrictores de flujo, pensando que el regulador de contrapresión puede controlar la presión aguas arriba directamente. Pero sin el restrictor, cuando el flujo del sistema cambia habría poco o ningún cambio en la presión. El regulador continuaría desperdiciando fluido de proceso en un intento de aumentar el flujo mientras la presión de entrada que está intentando controlar no mostraría ningún cambio. Esto puede resultar en que el regulador esté completamente abierto.

Permitir mucho flujo a través del restrictor del analizador (ver R2 en la figura 1) es otro error de diseño porque puede causar que la presión de entrada del regulador caiga por debajo de su presión de consigna. Esto puede resultar en que el regulador se cierre completamente, restringiendo el flujo de ventilación. Para un mejor control, el restrictor de flujo aguas arriba (R1) debe dimensionarse para permitir que algo de fluya a través del regulador incluso a la tasa máxima de flujo del analizador.

Para configurar un sistema funcional como el mostrado en la figura 1, los diseñadores de sistemas deben comenzar cerrando R2, ajustando R1 para permitir suficientemente flujo de bypass para el tiempo de respuesta de análisis deseado, y luego afinando R2 para el flujo del analizador deseado. El flujo de bypass debería caer automáticamente en la misma cantidad. Si es necesario, abra lentamente R1 hasta que el flujo de bypass sea al menos tan rápido como el flujo de ventilación del analizador. Esto permitirá que el regulador controle su presión de entrada cuando la presión de la fuente cambie. Si espera que la presión de la fuente cambie ampliamente, ajuste R1 para generar una pequeña cantidad de flujo de bypass a la presión de fuente más baja anticipada.

Con la presión controlada por el regulador de contrapresión en combinación con los restrictores de flujo R1 y R2, podemos controlar el flujo al analizador y a la línea de ventilación.

Dado que estos tres componentes están controlando el flujo al analizador y el flujo de bypass, una válvula de aguja u otro dispositivo restrictivo en la línea de ventilación de bypass no es necesario. Sin embargo, un medidor de flujo de bypass sin válvula de aguja es útil para confirmar que el regulador está pasando algo de flujo y está controlando su presión de entrada.

Usando reguladores reductores de presión y de contrapresión en serie

Como se muestra en la figura 2, otro error de diseño ocurre cuando un regulador de contrapresión se coloca inmediatamente después de un regulador reductor de presión. Dado que dos reguladores no pueden controlar la misma presión —uno de ellos debe perder.

Para demostrar esta pérdida, considere dos situaciones. Primero, si el punto de consigna del regulador de contrapresión es más alto que la presión que viene hacia él desde el regulador aguas arriba, permanecerá cerrado ya que no hay fuerza suficiente para levantar el vástago de contrapresión del asiento y permitir flujo a través del regulador de contrapresión. En este escenario, no habrá flujo de bypass, ya que el regulador de contrapresión permanecerá cerrado.

En la segunda situación, el punto de consigna del regulador de contrapresión es más bajo. Dado que el flujo ahora aumenta, la presión de entrega del regulador reductor de presión disminuirá a la tasa de la curva de caída del regulador aguas arriba. La tasa de flujo aumenta drásticamente, empujando el regulador de contrapresión hacia arriba en su curva de acumulación y aumentando su presión de entrada.

El resultado de este aumento depende de los ajustes de los dos reguladores:

• Si los dos ajustes están cerca, la tasa de flujo subirá hasta que la presión de caída del primer regulador coincida con la presión de acumulación en el segundo. Pero esto resulta en una tasa de flujo muy alta.
• Si los dos ajustes están más separados, la tasa de flujo subirá hasta que ese regulador ya no esté en control. Un regulador controlará la presión y el otro se convertirá en un restrictor de flujo.

La tasa de flujo de bypass depende de la diferencia entre los dos puntos de consigna. Aumenta hasta que los reguladores "declaran una tregua". Cuando la presión aguas arriba cambia o el flujo al analizador varía, los dos reguladores intentan mantener una presión intermedia entre sus puntos de consigna, pero con resultados inciertos.

Esto no significa que los dos reguladores no puedan funcionar en serie, pero la única forma para que esto ocurra con éxito es tener un restrictor de flujo entre ellos. La figura 4 muestra este escenario donde, bajo los ajustes correctos, ambos reguladores están operando como deberían, y la presión es constante en cada extremo de los dos restrictores. La consistencia de esta presión permite que el flujo sea estable y protege al analizador de variaciones en la presión de fuente y ventilación.

Un sistema de funcionamiento adecuado

Para garantizar el funcionamiento adecuado de un regulador de contrapresión, el sistema de muestreo debe diseñarse cuidadosamente para asegurar que el regulador está haciendo su trabajo de controlar la presión. Una presión demasiado alta o demasiado baja puede causar daño o retrasos en el sistema.

Si tiene preguntas mientras configura reguladores en sus sistemas de muestreo, podemos ayudar. Los ingenieros de campo de Swagelok pueden visitar sus instalaciones para evaluar su sistema de muestreo, asesorar sobre diseño o solucionar problemas. Alternativamente, puede aprender todo sobre diseño y uso de sistemas de muestreo a través de nuestros cursos de capacitación en Sistemas de Muestreo de Analizadores de Proceso (PASS) o Resolución de Problemas y Mantenimiento de Sistemas de Muestreo (SSM).