Конфигурация регулятора обратного давления: советы для инженеров-проектировщиков пробоотборных систем

Конфигурация регулятора обратного давления: советы для инженеров-проектировщиков пробоотборных систем

Джон Кестнер (Jon Kestner), менеджер по продукции

Регуляторы обратного давления помогают поддерживать входное давление и защищать чувствительное оборудование в пробоотборных системах, используемых на многих промышленных предприятиях. Однако для надлежащего использования регулятора обратного давления инженеры-проектировщики пробоотборных систем должны остерегаться нескольких распространенных ошибок проектирования. К ним относятся:

• игнорирование важности входного ограничителя расхода;
• слишком сильный поток через анализатор;
• размещение редуктора давления последовательно с регулятором обратного давления без гидравлического сопротивления между ними.

В этой публикации мы обсудим, как лучше всего спроектировать и изготовить пробоотборную систему с регулятором обратного давления и как избежать вышеперечисленных распространенных ошибок проектирования.

Конфигурация регулятора обратного давления

В отличие от редукторов давления регулятор обратного давления управляет давлением на входе и обычно устанавливается в конце линии. Редуктор давления, напротив, регулирует давление на выходе и обычно устанавливается в начале линии. Оба вида регуляторов уравновешивают силы, которые образуются под действием давления в системе, и нагрузку на пружину, которая создается при установлении заданного давления.

Если этот баланс нарушается в связи с повышением или понижением внешнего давления, то клапан или золотник регулятора будет смещаться ближе к седлу или дальше от него. В зависимости от характера перемещения клапана это обеспечит более или менее беспрепятственный поток через отверстие регулятора и восстановит баланс.

На рисунке 1 показана типовая конфигурация регулятора обратного давления в аналитической пробоотборной системе. Если поток не используется анализатором (см. А на рисунке 1), задача регулятора — направить такой поток в обводную линию. По мере изменения давления источника регулятор также меняет объем перенаправляемого потока для поддержания постоянного давления на входе регулятора и постоянного потока на входе в анализатор.

Перед регулятором обратного давления необходимо установить ограничитель расхода (как правило, игольчатый клапан) для управления давлением на входе (см. R1 на рисунке 1). Если между регулятором обратного давления и системой не установлен ограничитель расхода (в газовой системе даже в длинной трубке может наблюдаться минимальное падение давления), то регулятор обратного давления широко откроется для транспортировки достаточного объема газа, чтобы снизить входное давление. Но эта мера не будет эффективной. Однако если ограничитель установлен, то увеличение расхода приведет к большему падению давления в точке его установки и поможет снизить давление на выходе.

Зачастую проектировщики пробоотборных систем игнорируют ограничители расхода, полагая, что регулятор обратного давления сможет контролировать входное давление напрямую, что является ошибкой. Ведь в отсутствие ограничителя при изменении расхода в системе давление в ней практически не меняется. Регулятор будет впустую тратить технологическую среду для увеличения расхода, поскольку давление на входе, которое он пытается контролировать, не будет меняться. В результате регулятор может широко открыться.

Слишком сильный поток через ограничитель анализатора (см. R2 на рисунке 1) — еще одна ошибка проектирования, поскольку в таком случае давление на входе регулятора может упасть ниже заданного. В результате регулятор может полностью закрыться, ограничив расход через дренажное отверстие. Для оптимального регулирования размер ограничителя расхода на входе (R1) должен обеспечивать прохождение некоторого потока через регулятор даже при максимальном расходе в анализаторе.

При конфигурировании рабочей системы (как показано на рисунке 1) проектировщики должны сначала закрыть R2, отрегулировать R1, чтобы обеспечить достаточный обводной поток для достижения требуемого времени реагирования анализатора, а затем отрегулировать R2 для достижения требуемого расхода в анализаторе. Это должно автоматически привести к соответствующему уменьшению обводного потока. При необходимости медленно открывайте R1, пока скорость обводного потока не сравняется со скоростью потока через дренажное отверстие анализатора. Это позволит регулятору управлять давлением на входе при изменении давления источника. Если вы ожидаете существенных колебаний давления источника, отрегулируйте R1 для обеспечения слабого обводного потока при самом низком ожидаемом давлении источника.

С помощью регулятора обратного давления, который вместе с ограничителями расхода R1 и R2 контролирует давление, мы можем регулировать поток к анализатору и дренажной линии.

Поскольку эти три компонента регулируют поток к анализатору и обводной поток, установка игольчатого клапана или другого ограничительного устройства в обводной дренажной линии не требуется. Однако установка в обводной линии ротаметра без игольчатого клапана поможет убедиться, что регулятор пропускает некоторый поток и контролирует давление на входе.

Установка редуктора давления последовательно с регулятором обратного давления

Как показано на рисунке 2, еще одна ошибка проектирования заключается в том, что регулятор обратного давления установлен непосредственно после редуктора давления. Поскольку два регулятора не могут контролировать давление одновременно, один из них будет неэффективным.

Для демонстрации этой проблемы рассмотрим две ситуации. Во-первых, если уставка регулятора обратного давления выше давления, поступающего от расположенного перед ним регулятора, он останется закрытым в связи с отсутствием достаточной силы, чтобы поднять золотник обратного давления из седла и обеспечить прохождение потока через регулятор обратного давления. В этом случае обводного потока не будет, поскольку регулятор обратного давления останется закрытым.

В другой ситуации уставка регулятора обратного давления ниже. Тогда в связи с увеличением расхода давление, поступающее от редуктора давления, будет снижаться в соответствии с кривой спада расположенного перед ним регулятора. Расход значительно повысится в соответствии с кривой накопления регулятора обратного давления, что приведет к повышению давления на его входе.

Результат такого повышения зависит от настроек обоих регуляторов.

• Если настройки регуляторов схожи, то расход будет повышаться до тех пор пока падающее давление на выходе из первого регулятора не сравняется с растущим давлением на входе во второй регулятор. Однако это приведет к очень сильному расходу.
• Если настройки регуляторов сильно различаются, то расход будет повышаться до тех пор, пока регулятор не потеряет контроль. Один регулятор будет управлять давлением, а другой станет ограничителем расхода.

Расход в обводной линии зависит от того, насколько различаются уставки. Он будет повышаться до тех пор, пока регуляторы «не достигнут компромисса». В случае изменения входного давления или расхода в анализаторе оба регулятора будут стараться поддерживать промежуточное давление между своими уставками с неопределенным результатом. Данная ситуация показана на рисунке 3.

Это не означает, что регуляторы не могут работать при последовательном расположении, однако такое возможно, только если между ними установлен ограничитель расхода. На рисунке 4 показана такая ситуация, когда при соответствующих настройках оба регулятора работают надлежащим образом, а давление является постоянным на обоих концах двух ограничителей. Стабильность давления обеспечивает постоянство потока и защищает анализатор от колебаний давления источника и дренажного давления.

Система, функционирующая надлежащим образом

Чтобы гарантировать надлежащее функционирование регулятора обратного давления, пробоотборная система должна быть правильно спроектирована. Слишком высокое или слишком низкое давление может привести к повреждению или задержкам в системе.

Если во время установки регуляторов в пробоотборных системах у вас возникнут вопросы, мы сможем помочь. Инженеры технического отдела Swagelok могут посетить ваш объект, чтобы обследовать пробоотборную систему, дать советы по проектированию или устранить неисправности. Вы также можете получить всю информацию о проектировании и использовании пробоотборных систем на наших курсах обучения «Системы пробоподготовки для поточного анализа (PASS)»  или «Решение проблем, связанных с системами отбора проб, и техническое обслуживание данных систем (SSM)» .

За дополнительной информацией обращайтесь в региональный центр продаж и сервисного обслуживания Swagelok.