Gestión del efecto de presión de suministro en reguladores reductores de presión industriales para control consistente de presión de gas

Cómo gestionar el efecto de presión de suministro (SPE) en reguladores reductores de presión usados en sistemas de gas industriales

Wouter Pronk, Ingeniero de Campo Senior, Swagelok

Los operadores de sistemas de fluidos que ejecutan una línea de proceso desde una fuente de cilindro de gas pueden observar ocasionalmente el fenómeno de la presión de salida aumentando en un regulador reductor de presión por ninguna 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 disminuya concurrentemente, pero en su lugar, la presión de salida sube. Esta ocurrencia se conoce como efecto de presión de suministro (SPE).

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

El efecto de presión de suministro, también referido 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 en la presión de salida. Por el contrario, si la presión de entrada aumenta, la presión de salida disminuye.

El SPE de un regulador es típicamente proporcionado por el fabricante. El SPE usualmente 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 un regulador se describe como teniendo un 1:100 o 1% SPE, por cada 100 psi de caída en la presión de entrada, la presión de salida aumentará en 1 psi. El grado de variación de presión de salida para un regulador puede estimarse con la siguiente fórmula:

ΔP_salida = (ΔP_entrada × SPE)

Diseño de vástago desequilibrado vs. 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 vástago sobre el orificio —por lo tanto, controlando la presión de salida.

En un diseño de vástago desequilibrado, la presión de entrada empuja hacia arriba en el vástago y aplica presión a una porción del vástago igual al área del asiento. Como resultado, cualquier disminución en la presión de entrada significa que menos fuerza empuja hacia arriba sobre el vástago, permitiendo que el fuerte resorte de consigna empuje el vástago ligeramente más lejos del asiento —así aumentando la presión de salida. Este aumento resultante en la presión de salida no es lo suficientemente fuerte para contrarrestar completamente la fuerza del resorte de consigna para cerrar el vástago a su posición original. El resultado es un aumento en la presión de salida debido al SPE.

Debido a que los reguladores operan en un equilibrio de fuerzas, la cantidad de SPE puede determinarse por la relación de áreas sobre las cuales actúan las presiones en el vástago y áreas sensoras. Es decir, reguladores con áreas sensoras grandes y vástagos pequeños tendrán el SPE más bajo y aquellos con áreas sensoras pequeñas y vástagos grandes tendrán el SPE más alto.

Para demostrar el efecto de un diseño de vástago desequilibrado en el 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 vástago desequilibrado, cualquier cambio en la presión de entrada produce un gran cambio en la fuerza, impulsando un cambio mayor en el equilibrio de fuerzas dentro del regulador.

Un método común para reducir el efecto de presión de suministro, especialmente en aplicaciones de alto flujo donde los vástagos son generalmente más grandes, es usar un regulador con un diseño de vástago equilibrado. La intención de este diseño de regulador es minimizar el área sobre la cual la alta presión de entrada puede actuar. Esto se logra permitiendo que la presión de salida más baja alcance una porción de la parte inferior del vástago a través de un orificio que corre verticalmente a lo largo del vástago y sellado por un anillo en O alrededor del vástago inferior. En términos de SPE, cualquier cambio en la presión de entrada resultará en un cambio menor en la fuerza porque la presión está actuando sobre un área mucho más pequeña.

Para demostrar cómo el SPE afecta un regulador de vástago equilibrado, imagine disminuir gradualmente la presión de entrada como se demostró anteriormente con el diseño de vástago desequilibrado. Al igual que antes, a una presión de entrada de 1160 psig (80 bar), 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 continúa manteniéndose estable en 46.4 psig (3.2 bar).

Observe cómo el efecto en la presión de salida con un regulador de vástago equilibrado se reduce desde el arreglo anterior del regulador.

Un beneficio adicional de los reguladores de vástago equilibrado es su capacidad para reducir el bloqueo (lockup) —la tendencia del vástago a cerrarse de golpe a medida que el flujo aguas abajo disminuye a cero. El bloqueo excesivo es indeseable porque puede causar un pico en la presión de salida a medida que el vástago se cierra rápidamente. Aún así, el SPE siempre estará presente en reguladores usados en sistemas de gas, independientemente del diseño del vástago. Incluso si un vástago/válvula se cierra muy lentamente, ya sea en un proceso dinámico o estático con flujo o sin flujo, ocurrirá el SPE. Después del cambio de un cilindro vacío por uno lleno, la presión de salida de consigna será diferente. Decisiones de diseño informadas simplemente pueden ayudar a reducir el efecto.

Regulación de una sola etapa vs. dos etapas

La reducción de presión de dos etapas es una buena solución para minimizar el efecto de presión de suministro en prácticamente cualquier aplicación. Este método implica instalar dos reguladores de una sola etapa en serie o combinar los reguladores en un solo ensamblaje. Un regulador de doble etapa —como un regulador de la serie KCY de Swagelok® que realiza reducción de presión de dos etapas en un solo cuerpo— es una opción fuerte para aplicaciones de bajo flujo como sistemas de instrumentación analítica. Cada regulador controla la variación de presión de entrada hasta cierto grado, pero juntos, los dos reguladores mantienen la presión de salida muy cerca del punto de consigna 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:

ΔP_{salida total} = ΔP_entrada × SPE_{etapa 1} × SPE_{etapa 2}

Tenga en cuenta que el SPE es una relación inversa entre 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 resultará en 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 produce un cambio de salida menor, el regulador de segunda etapa reacciona solo al pequeño cambio de entrada de la primera etapa y muestra una disminución mínima de presión en el lado de salida. Tan pronto como la presión de entrada cae por debajo de la presión de consigna del regulador de primera etapa, la configuración actuará como un sistema de regulador de una sola etapa.

Para demostrar el efecto de presión de suministro, el siguiente ejemplo usa un regulador reductor de presión modelo KCY. El cilindro de gas se vacía de 2500 psig (172 bar) a 500 psig (34 bar). Asuma que cada regulador tiene un 1% SPE. Con una caída de presión de entrada de 2000 psig (137 bar), el regulador de primera etapa experimentará un aumento de 20 psig (1.3 bar) en la presión de salida. Como resultado de ese aumento, el regulador de segunda etapa solo experimentará una disminución de 0.20 psig (0.01 bar) en la presión de salida. Observe cómo el efecto en la presión de salida se reduce dramáticamente desde los arreglos anteriores del regulador.

En términos de controlar el efecto de presión de suministro, una configuración de regulador de dos etapas típicamente logrará un mejor resultado que un solo regulador reductor de presión con vástago equilibrado.

En una aplicación que usa un cilindro de gas para abastecer múltiples operaciones bajo la misma presión de salida, cualquiera de las dos opciones puede ser suficiente.

Por otro lado, aplicaciones que requieren un cilindro de gas para abastecer múltiples operaciones con diferentes presiones necesitarán usar dos reguladores de una sola etapa para hacer un sistema de regulador de dos etapas. Si este es el caso, configure 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 sola etapa en el punto de uso. Esta configuración excesiva equivale a una regulación de tres etapas —lo cual es innecesario para la mayoría de las aplicaciones. Dos reguladores de una sola etapa en serie rendirán un SPE mínimo a un costo menor.

Aprenda más sobre regulación de presión de una y dos etapas:

Los beneficios de sistemas de distribución de gas diseñados

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

• Módulo de entrada de fuente, como la entrada de fuente Swagelok® (SSI), o panel de entrada de fuente, establece una conexión entre la fuente de gas de alta presión y el sistema de distribución. Para un solo cilindro de gas, el ensamblaje puede ser tan simple como una manguera y conector, mientras que múltiples cilindros pueden requerir un colector que incorpore múltiples mangueras y válvulas. Estas entradas pueden ser altamente configurables para purgar o ventilar gases al cambiar botellas —promoviendo la seguridad del operador— o pueden crearse para ventilar líneas individuales para maximizar el tiempo de actividad.
• Panel de gas, como el panel de gas Swagelok® (SGP), completa la primera reducción de presión del gas de fuente y asegura que se entregue a la tasa de flujo correcta a la siguiente etapa del sistema. Esta es la parte de un sistema de distribución de gas donde el SPE puede controlarse mejor. La reducción de presión se logra en una etapa con un solo regulador de presión o dos etapas a través de un arreglo de regulador de presión dual. Estos paneles de gas son fáciles de mantener, ya que cualquier pieza puede desmontarse y el panel nunca necesita ser removido. Usar un SGP con un regulador de doble etapa es un medio altamente confiable de reducir el SPE.
• Sistema de cambio automático, como el subsistema de cambio Swagelok® (SCO), cambia de una fuente de gas a otra para asegurar suministro ininterrumpido. Dos reguladores de presión con perillas de consigna 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 se establece a una presión más baja que el otro, con el establecido a la presión más alta suministrando gas inicialmente a la conexión de salida compartida y el establecido a la presión más baja suministrando gas una vez que se agota el suministro de gas del regulador de mayor consigna. Al ajustar la manija de consigna 180°, los ajustes de presión de los dos reguladores se invierten, permitiendo que los cilindros vacíos se intercambien mientras el sistema continúa operando. Los subsistemas de cambio bien diseñados le permitirán especificar puntos de consigna de cambio para reducir el gas desperdiciado que queda en los cilindros.
• Finalmente, un sistema de punto de uso, como el ensamblaje de punto de uso Swagelok® (SPU), proporciona una etapa final de control de presión antes de que el gas sea usado. Estos sistemas típicamente incluyen un regulador, un manómetro y una válvula de aislamiento y ofrecen un método conveniente y preciso de ajustar la presión para satisfacer las necesidades de la aplicación.

Sistema de distribución de gas modular: entrada de fuente, panel de gas (control SPE), cambio automático, punto de uso.

Conclusión

Con el regulador controlando la presión de salida desde un cilindro de gas, el efecto de 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 presión de suministro para muchas aplicaciones usando un regulador de una sola etapa con diseño de vástago equilibrado, usando un regulador de dos etapas, o usando paneles de gas totalmente configurables como los disponibles a través del programa de distribución de gas Swagelok®. Si su fuente de gas está sirviendo múltiples operaciones con diferentes requisitos de presión, puede necesitar múltiples 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 eficazmente en estos casos.

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