Как выпрямить кривую расхода регулятора для уменьшения падения давления

Как выпрямить кривую расхода регулятора для уменьшения падения давления

Джон Кестнер (Jon Kestner) 

Единообразное регулирование давления является важнейшим фактором безопасной работы промышленных жидкостных и газовых систем. Надежное поддержание давления на выходе с помощью регулятора помогает свести к минимуму изменения в расходе, особенно в системе с высоким расходом. Тем не менее для того, чтобы обеспечить регулирование давления и свести к минимуму его падение, возможно, в жидкостную или газовую систему придется добавить внешние компоненты.

Что представляет собой падение давления

Падение давления определяется как уменьшение выходного давления по мере увеличения расхода на выходе. На графике выше (рисунок 1) приведен пример кривой расхода. Кривая расхода представляет собой полезный инструмент, используемый для определения диапазона значений выходного давления, которое будет поддерживать регулятор в зависимости от различных значений расхода в системе. Кривые расхода создаются по результатам испытаний изделий и отражают фактическую работу регулятора при заданном наборе параметров системы. 

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. 

Несмотря на то что определенное падение давления присуще любому редуктору давления, вы можете принять меры, чтобы свести это явление к минимуму. Выпрямить кривые расхода можно путем выбора соответствующей конфигурации регуляторов для конкретной системы. Ниже описаны четыре различных варианта, позволяющих уменьшить падение давления.

Вариант A: простой подпружиненный регулятор    

Самым распространенным типом редукторов давления является подпружиненный регулятор. В данной конструкции 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. Мы будем использовать подпружиненный регулятор в качестве базового уровня. 

Что касается уменьшения падения давления, подпружиненный редуктор давления обеспечивает приемлемые рабочие характеристики для общепромышленной эксплуатации. В этой конфигурации по мере увеличения потребности системы в расходе золотник регулятора перемещается дальше от седла, обеспечивая дополнительный расход, что в свою очередь приводит к ослаблению нагрузочной пружины, снижая усилие нагрузки и уставку регулятора. При изменении потребности в расходе величина падения давления будет зависеть от жесткости нагрузочной пружины и, в некоторых случаях, это может потребовать частых регулировок вручную для возврата к необходимому заданному давлению, если требуется высокая степень точности.

Более эффективным способом, позволяющим уменьшить падение давления и выпрямить кривые расхода, является применение расхода, является применение. 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 на выходе. В оставшихся вариантах, которые описаны ниже, объясняется, как куполовидные регуляторы в сочетании с различными компонентами и модификациями конструкции могут улучшить рабочие характеристики за счет сведения к минимуму падения давления. 

Вариант B: куполовидный регулятор с пилотным клапаном

Вариант B сочетает в себе куполовидный редуктор давления с пилотным клапаном. В этой конфигурации куполовидный регулятор реагирует на изменения давления путем поддержания неизменного значения давления внутри куполовидной камеры. Пилотный клапан используется для управления подачей газа в камеру куполовидного регулятора. Как видно из рисунка 2, избыточное купольное давление сбрасывается через выходной контур. 

По мере увеличения потребности системы в расходе золотник перемещается дальше от седла, обеспечивая дополнительный расход. Однако в отличие от подпружиненного регулятора здесь нет нагрузочной пружины, которую можно ослабить. Вместо этого мембрана изгибается вниз, расширяя куполовидную камеру и тем самым немного снижая купольное давление. Пилотный клапан фиксирует падение купольного давления и, реагируя на это, открывается, чтобы добавить газ внутрь куполовидной камеры для поддержания соответствующего заданного давления. В случае уменьшения потребности системы в расходе на выходе золотник поднимается ближе к седлу, выдавливает мембрану вверх, внутрь купола, и тем самым немного повышает давление в куполовидной камере. Такое избыточное давление допустимо для дренажа на выходную сторону регулятора через динамический выходной управляющий контур. 

Рисунок 2. Конфигурация варианта B представлена куполовидным регулятором с пилотным клапаном, а также динамическим выходным управляющим контуром для управления купольным давлением. 

Если вернуться к рисунку 1, на нем данная конфигурация представлена кривой расхода под названием «Вариант B». По сравнению с вариантом A, базовой кривой для подпружиненного регулятора, конфигурация с куполовидным регулятором и пилотным регулятором обеспечивает более динамичное регулирование давления. Несмотря на некоторое сохраняющееся падение давления эта кривая расхода является более прямой, то есть представляет регулятор, способный более точно поддерживать заданное давление в широком диапазоне значений расхода. Стандартные куполовидные регуляторы можно использовать во многих системах, не беспокоясь о существенном падении выходного давления. Однако падение давление можно уменьшить еще больше при использовании других конфигураций, описанных ниже. 

Вариант C: внешний трубопровод обратной связи, подсоединенный к куполовидному регулятору  

Дополнительной точности можно достичь путем добавления внешней обратной связи к куполовидному регулятору. Внешняя обратная связь обеспечивается подсоединением трубки от выходного технологического трубопровода в чувствительную зону куполовидного регулятора. 

Внешний трубопровод обратной связи направляет давление из точки на выходе системы регулятора в чувствительную зону регуляторов. Это позволяет регулятору реагировать на изменения давления в этой точке системы, а не только на изменения давления внутри регулятора, как в случае со стандартными конструкциями куполовидного регулятора. 

Если вернуться к рисунку 1, на нем вариант C представлен третьей кривой расхода. Участок с рабочим значением расхода расширяется вплоть до достижения критической точки падения. Несмотря на то что эта кривая расхода еще более прямая, чем в предыдущих двух вариантах, на ней по-прежнему наблюдается определенное падение давления.

Вариант D: внешний трубопровод обратной связи, подсоединенный к пилотному клапану

Данный окончательный вариант представляет собой наилучшую конфигурацию для выпрямления кривой расхода. Как показано на рисунке 4, внешний трубопровод обратной связи подсоединен напрямую к пилотному клапану вместо куполовидного. Это дает возможность пилотному клапану с высокой точностью корректировать давление в камере куполовидного регулятора на основе фактических значений давления на выходе, тем самым позволяя куполовидному регулятору осуществлять компенсацию путем изменения своего выходного давления. 

По мере увеличения потребности системы в расходе пониженное давление направляется обратно в пилотный регулятор через дополнительный трубопровод обратной связи. Пилотный регулятор реагирует на такое изменение давления путем повышения давления в куполовидном регуляторе, что приводит к установлению надлежащего заданного давления на выходе. В этой конфигурации контур обратной связи обеспечивает постоянную автоматическую корректировку, чтобы стабилизировать систему и оптимизировать ее работу. Это показано на рисунке 1 в виде окончательной кривой расхода с незначительным падением давления и широким диапазоном расхода.

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 правильно подобранная конфигурация регуляторов. Чтобы получить дополнительную информацию о подборе подходящей конфигурации редукторов давления для жидкостных или газовых систем, обратитесь в региональный центр продаж и сервисного обслуживания Swagelok для проведения экспертной оценки.

ОБРАТИТЬСЯ В ЦЕНТР ПРОДАЖ И СЕРВИСНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ