Выбор регулятора
Регуляторы давления играют важную роль во многих промышленных жидкостных, газовых и контрольно-измерительных системах, помогая поддерживать или регулировать желаемое давление и расход в ответ на изменения в системе. По этой причине важно выбрать и установить регуляторы давления, соответствующие требованиям именно вашей системы. Но поскольку существует множество видов регуляторов давления, функции которых различаются, сделать правильный выбор не всегда просто. В этом информационном документе мы расскажем о простой процедуре из пяти шагов, которую вы можете применять для оценки необходимого давления и правильного выбора регулятора.
Важность правильной регулировки давления
Для корректной работы промышленных жидкостных и газовых систем необходимы соответствующие параметры температуры среды, расхода и давления. В поддержании необходимых технологических условий участвуют многие компоненты системы, и один из самых важных — регулятор давления.
Учитывая широкий ассортимент предлагаемых регуляторов давления, важно сделать правильный выбор, чтобы обеспечить безопасную и надлежащую работу вашей технологической жидкостной, газовой или аналитической системы. Неправильный выбор может привести к неэффективной работе, плохим эксплуатационным характеристикам, частым проблемам и угрозам для безопасности.
Чтобы понять, как выбрать подходящий регулятор, нужно знать, какие бывают типы регуляторов, как они работают и как их применять в соответствии с требованиями вашей системы. Эти знания помогут вам сделать осознанный и грамотный выбор.
Чтобы помочь вам сделать правильный выбор, мы разработали простую процедуру из пяти шагов, применимую к большинству промышленных жидкостных, газовых и аналитических систем.
К каким последствиям приведет установка неподходящего регулятора?
Регуляторы давления предназначены для регулирования давления в системе с учетом изменений параметров системы. В случае установки неподходящего регулятора вы, скорее всего, столкнетесь с повышением или понижением давления на выходе.
И то, и другое может отрицательно отразиться на качестве и безопасности вашего технологического процесса. Нежелательное падение давления может привести к неэффективной работе системы или проблемам с технологическим процессом. Нежелательное повышение давления может привести к потенциальному повреждению чувствительного аналитического оборудования или, в худшем случае, создать угрозу для безопасности персонала предприятия.
Шаг 1. Понимание технологических условий
Для правильного выбора регулятора требуется понимание давления, температуры и расхода в вашей системе, а также совместимости материалов выбранного регулятора с технологической средой.
Состав технологической жидкости
Технологические жидкости и газы ведут себя по-разному, что может повлиять на выбор регулятора. Например, регуляторы давления могут обеспечить больший расход газа низкой плотности, чем газа высокой плотности. От подобных деталей будут зависеть поправки на размер регулятора (см. рис. 1).
Номинальные параметры давления
Поскольку основная функция регулятора — управление давлением в системе, важно убедиться, что выбранный вами регулятор имеет должное максимальное, минимальное и типовое рабочее давление.
Диапазоны регулирования давления, показанные на соответствующих кривых расхода, как правило, указываются в технических характеристиках регулятора в связи с их важностью для правильного выбора регулятора. Прежде чем сделать выбор, задайте себе два важных вопроса:
1. Как давление на выходе связано с ожидаемым расходом?
2. Ожидаете ли вы, что давление на выходе будет одинаковым при минимальном, нормальном и максимальном расходе?
Температура
Рабочая температура вашей жидкостной или газовой системы также может повлиять на выбор и работу регулятора. Прежде чем сделать выбор, убедитесь, что вы знаете ожидаемую рабочую температуру и факторы окружающей среды, которые могут на нее повлиять.
Температура некоторых технологических жидкостей может резко меняться при изменении давления, а назначение вашего регулятора — менять давление. Это явление называется эффектом Джоуля – Томпсона. Например, температура компримированного природного газа при падении давления может снизиться с +20 до –65 ºC (см. рис. 2). Если вы не внесли необходимые поправки в систему, такой резкий перепад температур может привести к заморозке регулятора, и он перестанет функционировать. В подобной ситуации может потребоваться установка дополнительных нагревательных элементов во избежание замораживания. Существуют инструменты для расчета эффекта Джоуля – Томпсона в системе, и зачастую совместная работа с поставщиком регулятора помогает спрогнозировать его потенциальное воздействие.
Совместимость материалов
Также крайне важно, чтобы ваша технологическая среда была совместима со всеми компонентами регулятора. Несовместимость материалов может отрицательно отразиться на сроках службы компонентов и привести к длительному простою системы.
Например, технологическая среда может отрицательно влиять на некоторые внутренние компоненты регулятора, даже если внешне регулятор в полном порядке. Естественный износ резиновых и эластомерных компонентов неизбежен, но определенная технологическая среда может вызвать ускоренный износ и преждевременный отказ регулятора (см. рис. 3).
Теперь, после того как вы оценили все расчетные параметры системы, вы можете переходить к шагу 2.
Шаг 2. Определение необходимого типа регулятора
Есть два основных типа регуляторов: редукторы давления и регуляторы обратного давления. Выбор регулятора будет зависеть от того, для чего он предназначен.
Редукторы давления определяют выходное давление и регулируют давление после регулятора.
Регуляторы обратного давления определяют входное давление и регулируют давление перед регулятором.
Оптимальный выбор для вашей системы зависит от требований техпроцесса. Если нужно снизить давление от источника высокого давления, прежде чем рабочая среда достигнет основной системы, подойдет редуктор давления. Регуляторы обратного давления, напротив, помогают контролировать и поддерживать давление на входе путем сброса избыточного давления, если условия в системе приводят к его чрезмерному повышению (см. рис. 4).
При использовании в подходящей ситуации регуляторы каждого типа помогут вам поддерживать желаемое давление во всей системе.
Принцип работы регулятора
Определив, какую функцию должен выполнять регулятор, важно понять, какие его компоненты обеспечивают необходимый функционал.
Регуляторы состоят из следующих компонентов.
• Нагрузочный элемент, как правило, пружина или купол, в зависимости от потребностей вашей системы. Нагрузочный элемент прилагает к верхней части мембраны нисходящую уравновешивающую силу
• Чувствительный элемент, как правило, представляет собой мембрану или поршень. Чувствительный элемент позволяет золотнику подниматься и опускаться, регулируя давление на входе или выходе
• Регулирующий элемент, в том числе седло и золотник. Седло помогает ограничить давление и предотвращает утечку среды на противоположную сторону регулятора при перекрытии потока. В сочетании с седлом золотник обеспечивает герметичность при движении среды в системе
Вместе эти элементы обеспечивают требуемое регулирование давления. Поршень или мембрана определяет давление на выходе. Затем чувствительный элемент уравновешивает заданную силу, приложенную со стороны нагрузочного элемента, которая регулируется пользователем с помощью рукоятки или другого поворотного механизма. Чувствительный элемент позволяет золотнику открываться или закрываться. Вместе эти элементы поддерживают баланс и обеспечивают достижение заданного давления. В случае изменения одной из сил другая сила также должна измениться для восстановления баланса.
В редукторах давления должны уравновешиваться четыре разные силы (см. рис. 5). Это сила нагрузки (F1),сила сжатия пружины на входе F2), сила давления на выходе (F3) и сила давления на входе (F4). Общая сила нагрузки должна быть равна сочетанию силы сжатия пружины на входе, силы давления на выходе и силы давления на входе.
Регуляторы обратного давления работают схожим образом. Они должны уравновешивать силу сжатия пружины (F1), силу давления на входе (F2) и силу давления на выходе ( F3), как показано на рис. 6. В данном случае сила сжатия пружины должна быть равна сочетанию силы давления на входе и силы давления на выходе.
Определив, какой тип регулятора подходит для ваших целей, переходите к шагу 3.
Шаг 3. Понимание принципов работы регулятора
Важно учитывать условия эксплуатации после установки регулятора. Помните! Регулятор — это механическое устройство, которое не имеет электронных входов для контроля или обнаружения. Это означает, что необходимо тщательно изучить несколько принципов работы регулятора в реальных условиях эксплуатации.
Кривая расхода
Кривые расхода отражают фактическую работу регулятора при заданном наборе параметров системы (см. рис. 7). Вертикальная ось отображает выходное давление, а горизонтальная — расход на выходе. Наиболее прямая, или горизонтальная, часть кривой обозначает состояние, в котором регулятор поддерживает неизменное значение давления, даже при существенных изменениях расхода. Самая правая часть кривой обозначает состояние, в котором регулятор полностью открыт и не может поддерживать неизменное значение давления. На этом участке (между началом быстрого снижения давления и его приближением к нулю) золотник достигает предела своего хода, что приводит к потере контроля. Здесь регулятор работает не как устройство контроля давления, а, скорее, как ограничительный условный проход.
Эффект закрытия
Эффект закрытия возникает в самом начале кривой расхода и означает падение давления с конкретного значения немного выше уставки, необходимой для полного отсечения регулятора и прекращения расхода. Когда расход есть (например, если клапан открыт), кривая расхода регулятора будет показывать падение давления до уставки. Эффект закрытия типичен для регулятора, но грамотно спроектированный регулятор должен сводить его к минимуму.
Падение давления
Падение давления является частью нормальной работы регулятора и следует сразу за эффектом закрытия. Падение давления происходит, когда золотник регулятора открывается пошире из-за требуемого расхода. Пружина растягивается, пока постепенно не потеряет силу, что ведет к падению давления. При определенных значениях расхода падение давления характерно для всех регуляторов, но в идеале кривая расхода должна быть как можно прямее перед падением давления. Поэтому так важно подобрать конфигурацию регулятора, соответствующую требованиям вашей системы.
Эффект нагнетаемого давления (SPE)
Эффект нагнетаемого давления (SPE), также называемый входной зависимостью, — это изменение давления на выходе вследствие изменения давления на входе (см. рис. 8). Данное явление характеризуется обратно пропорциональным изменением значений давления на входе и выходе. При снижении давления на входе соответствующим образом увеличивается давление на выходе. Аналогичным образом, при повышении давления на входе снижается давление на выходе.
Ожидаемый эффект нагнетаемого давления в регуляторе обычно указывается производителем. Как правило, его представляют как коэффициент или процентную долю, выражающие величину изменения давления на выходе по отношению к изменению давления на входе. Например, если для регулятора указан SPE, равный 1:100 или 1 %, это значит, что при снижении давления на входе на 100 фунтов на кв. дюйм давление на выходе увеличится на 1 фунт на кв. дюйм. Степень колебания давления на выходе регулятора определяется по следующей формуле:
Распространенный метод снижения эффекта нагнетаемого давления, особенно в условиях высокого расхода, где золотники обычно больше, — применение регулятора с уравновешенной конструкцией золотника. Эффект нагнетаемого давления также можно смягчить за счет двухступенчатой конфигурации регулятора. Первый регулятор снижает высокое давление на входе, что сводит к минимуму падение давления на втором регуляторе. Однако подобные меры необходимы не для всех систем. Свяжитесь с поставщиком регулятора, чтобы определить оптимальную конфигурацию под ваши потребности.
Теперь, когда вы знаете важные принципы работы регулятора, пора переходить к шагу 4.
Шаг 4. Определение подходящего нагрузочного элемента.
Как объяснялось ранее, нагрузочный элемент в вашем регуляторе прилагает к верхней части чувствительного элемента нисходящую уравновешивающую силу. Наиболее распространены два типа чувствительных элементов: подпружиненные и куполовидные.
Подпружиненный регулятор
Подпружиненные регуляторы наиболее распространены и лучше всего знакомы операторам. В них пружина передает усилие на чувствительный элемент (мембрану или поршень), который перемещает золотник либо ближе к условному проходу, либо дальше от него, тем самым регулируя давление на выходе. Это надежный выбор для многих систем общего назначения.
• управляется оператором путем поворота внешней рукоятки, регулирующей силу сжатия пружины на чувствительном элементе;
• используя пружину, прилагает к верхней части чувствительного элемента (как правило, мембраны или поршня) нисходящую уравновешивающую силу для регулировки давления;
• хороший выбор для систем общего назначения.
Подпружиненный редуктор давления:
• определяет выходное давление и регулирует давление после регулятора;
• помогает снизить давление от источника высокого давления.
Подпружиненный регулятор обратного давления:
• определяет входное давление и регулирует давление перед регулятором;
• помогает контролировать и поддерживать давление на входе путем сброса избыточного давления.
Куполовидный регулятор
Куполовидные регуляторы обеспечивают динамичное регулирование давления для более стабильного давления на входе по мере изменения потребности в расходе. Усилие нагрузки в этом типе регуляторов контролируется не пружиной, а сжатым газом, находящимся внутри куполовидной камеры. Газ изгибает мембрану, которая перемещает золотник дальше от условного прохода и регулирует давление. У них есть несколько преимуществ, в том числе повышенная точность, смягчение эффекта нагнетаемого давления и меньшее падение давления.
• используя куполовидный элемент, прилагает к верхней части чувствительного элемента (как правило, мембраны или поршня) нисходящую уравновешивающую силу для регулировки давления;
• использует давление технологической среды внутри системы, чтобы обеспечить заданное давление на чувствительном элементе;
• может обеспечить повышенную точность в чувствительных системах.
Куполовидный редуктор давления:
• определяет выходное давление и регулирует давление после регулятора;
• помогает снизить давление от источника высокого давления.
Куполовидный регулятор обратного давления:
• определяет входное давление и регулирует давление перед регулятором;
• помогает контролировать и поддерживать давление на входе путем сброса избыточного давления.
Куполовидные регуляторы можно включать в самые разные конфигурации, чтобы поддерживать кривую расхода в прямом состоянии. Их можно сочетать с пилотными регуляторами и внешними трубопроводами обратной связи для достижения высокой точности регулировки, когда это требуется системой.
Помните! Все регуляторы подвержены определенному падению давления. В зависимости от системы такое падение может быть приемлемым. Однако если необходимо поддерживать давление на постоянном уровне при изменении расхода, на помощь может прийти более сложная конфигурация регуляторов.
Теперь вы должны лучше понимать, какой тип регулятора подходит для вашей системы. Вы также должны лучше оценивать воздействие принципов работы регулятора на характеристики системы. И вы должны уметь подбирать подходящий нагрузочный механизм для достижения необходимых результатов. Теперь, после ввода регулятора в эксплуатацию, важно соблюдать установленные рекомендации, которые мы рассмотрим в шаге 5.
Шаг 5. Соблюдение рекомендаций по эксплуатации
Для успешной работы регулятора нужно не только правильно его выбрать, но и следовать рекомендациям по техобслуживанию в течение всего срока службы регулятора. Как и любое другое промышленное оборудование, регулятор подвержен естественному износу с течением времени. Но правильное техобслуживание обеспечит максимальную пользу от него, а также безопасность вашей жидкостной или газовой системы.
Самая распространенная проблема, вызванная неправильным техобслуживанием, — явление под названием «сползание». Сползание — это неестественное явление для регуляторов давления, возникающее в ситуациях, когда загрязнение приводит к формированию узкого зазора между седлом и золотником регулятора (см. рис. 9). В результате технологическая среда может случайно проходить через седло, что приводит к нежелательному повышению давления за регулятором. Эта ситуация может быть проблематичной и опасной, если компоненты за регулятором не предназначены для работы под давлением системной среды, протекающей через седло.
Для уменьшения сползания и смягчения его последствий необходимо принять следующие меры.
Фильтрация
Качественный фильтр перед регулятором поможет гарантировать, что через регулятор будет проходить только чистая среда. Чтобы обеспечить надлежащую фильтрацию, фильтр следует регулярно чистить и при необходимости заменять.
Перепускные клапаны
После регулятора можно установить перепускной клапан, чтобы смягчить последствия эффекта сползания, если оно все же произойдет.
Запчасти
Поддержание запаса комплектов запчастей для регулятора поможет быстро устранить любую проблему. Если их нет под рукой, это может привести к длительным простоям при ожидании доставки запчастей после возникновения проблем.
Дополнительные ресурсы
Следование этим рекомендациям поможет вам правильно подобрать регулятор. Однако вышеописанная процедура может не учитывать уникальные требования вашей системы. При возникновении каких-либо вопросов поставщик регулятора сможет дать вам дополнительные рекомендации.
Опытные специалисты Swagelok помогут сделать правильный выбор для вашей системы, благодаря глубоким практическим и техническим знаниям. Мы предлагаем несколько ресурсов по оптимизации характеристик вашей жидкостной или газовой системы, в том числе:
• базовый курс по работе с регуляторами, который содержит углубленную информацию о том, как повысить уровень безопасности и эффективности системы за счет правильного выбора регулятора;
• сервисы Swagelok® с выездом на объект, которые помогут вам использовать наши технические и отраслевые знания и опыт применения на ваших объектах, чтобы усовершенствовать жидкостные и газовые системы, установив в них подходящие компоненты;
• справочно-информационный ресурс Swagelok, который предлагает экспертные знания и анализ, призванные сократить простои, повысить эффективность работы, решить проблемы и обеспечить безопасность на рабочем месте;
• канал Swagelok на YouTube, где вы найдете видеоролики, посвященные практическим рекомендациям по работе с жидкостными и газовыми системами.
Хотите оптимизировать эксплуатационные характеристики регулятора? Свяжитесь с нашими специалистами по регулированию давления, чтобы начать обсуждение.