Минимизация эффекта нагнетаемого давления (SPE) в редукторе

Минимизация эффекта нагнетаемого давления (SPE) в редукторе

Воутер Пронк (Wouter Pronk) старший инженер по эксплуатации, Swagelok

Оператор жидкостной или газовой системы, контролирующий технологическую линию от источника (газового баллона) иногда может наблюдать явление, при котором на выходе редуктора без видимых причин повышается давление. По мере опустошения баллона давление на входе редуктора падает. Часто даже опытным техническим специалистам кажется, что давление на выходе должно соответствующим образом снижаться, но вместо этого оно растет. Такое явление называют эффектом нагнетаемого давления (SPE). 

Что такое эффект нагнетаемого давления (SPE)

Эффект нагнетаемого давления, также называемый зависимостью, — это изменение давления на выходе вследствие изменения давления на входе (со стороны нагнетания). 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. 

Эффект нагнетаемого давления в редукторе 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 редуктора 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 редуктора определяется по следующей формуле:

∆P (выход) = ∆P (вход) x SPE

Уравновешенная и неуравновешенная конструкция золотника в подпружиненных редукторах

Один из наиболее распространенных типов редукторов—подпружиненный редуктор давления. Пружина передает усилие на чувствительный элемент—мембрану или поршень,—управляющий золотником через условный проход и регулирующий таким образом давление на выходе.  

Неуравновешенная конструкция подразумевает, что входное давление подпирает золотник и оказывает воздействие на его область, равную площади седла. Вследствие этого снижение давления на входе приводит к уменьшению силы, воздействующей на золотник, и позволяет тугой пружине отодвинуть золотник немного дальше от седла, что повышает давление на выходе. Возникшее в результате повышение давления на выходе недостаточно велико, чтобы полностью скомпенсировать силу упругости пружины и переместить золотник в исходное положение. В итоге давление на выходе повышается благодаря эффекту нагнетаемого давления.

Работа редукторов обеспечивается равновесием сил, поэтому величину SPE можно определить как отношение площадей золотника и чувствительного элемента, на которые действует давление. Таким образом, редукторы с большим чувствительным элементом и малым золотником будут иметь самое низкое значение SPE, а редукторы с малым чувствительным элементом и большим золотником — самое высокое.

Чтобы продемонстрировать влияние неуравновешенной конструкции золотника на эффект нагнетаемого давления, необходимо постепенно уменьшать входное давление. При давлении на входе, составляющем 1160 фунтов на кв. дюйм, ман. (80 бар), давление на выходе составит 43,5 фунта на кв. дюйм, ман. (3 бара). Однако если давление на входе снизится до 870 фунтов на кв. дюйм, ман. (60 бар), давление на выходе вырастет до 53,7 фунта на кв. дюйм, ман. (3,7 бара). Поскольку входное давление воздействует на всю поверхность неуравновешенного золотника, любое изменение входного давления влечет за собой значительное изменение величины силы и равновесие сил в редукторе тоже существенно смещается.

Распространенным методом снижения эффекта нагнетаемого давления, особенно в условиях высокого расхода, где золотники обычно больше, — применение редуктора с уравновешенной конструкцией золотника. Назначение такой конструкции — минимизация площади возможного воздействия высокого входного давления. Эта цель достигается, когда относительно низкое выходное давление достигает участка нижней стороны золотника через условный проход, проходящий вертикально вдоль золотника и герметизированный уплотнительным кольцом вокруг нижнего штока золотника. С точки зрения эффекта нагнетаемого давления получится, что любое изменение входного давления произведет меньшее изменение в силе, поскольку давление воздействует уже на гораздо меньшую площадь.

Чтобы продемонстрировать, как эффект нагнетаемого давления влияет на редуктор с уравновешенным золотником, представьте себе постепенное снижение входного давления в представленном выше примере с неуравновешенной конструкцией золотника. Как и раньше, при давлении на входе, составляющем 1160 фунтов на кв. дюйм, ман. (80 бар), давление на выходе составит 43,5 фунта на кв. дюйм, ман. (3 бара). Однако если давление на входе снизится до 870 фунтов на кв. дюйм, ман. (60 бар), давление на выходе вырастет лишь до 46,4 фунта на кв. дюйм, ман. (3,2 бара). Причем даже при значении давления на входе 725 фунтов на кв. дюйм, ман. (50 бар) давление на выходе будет по-прежнему держаться на уровне 46,4 фунта на кв. дюйм, ман. (3,2 бара). 

Обратите внимание, что в редукторе с уравновешенным золотником влияние выходного давления ниже, чем в предыдущей рассмотренной конструкции. Еще одним преимуществом конструкции с уравновешенным золотником является способность снижать эффект замыкания, то есть исключать вероятность скачков давления на выходе при резком закрытии золотника. 

Сравнение одно- и двухступенчатых редукторов 

В областях применения с низким расходом, например в аналитических контрольно-измерительных системах, существует альтернативный способ минимизировать эффект нагнетаемого давления—использование двухступенчатых редукторов давления. Для этого нужно установить два одноступенчатых редуктора последовательно или объединить их в один узел. Каждый редуктор по отдельности контролирует колебания входного давления лишь в определенных пределах, но вместе они удерживают давление на выходе весьма близко к исходной уставке. 

Чтобы определить колебание выходного давления в двухступенчатом редукторе, разницу во входном давлении умножают на SPE каждого редуктора. Используется следующее уравнение: 

∆P (выход) = ∆P (вход) x SPE₁ x SPE₂

Следует помнить, что SPE — это обратная зависимость между значениями входного и выходного давления. По мере опустошения газового баллона и снижения входного давления в редукторе первой ступени возникнет повышение выходного давления. Данное повышенное давление передается на редуктор второй ступени, где приводит к последующему снижению давления на его выходе. Поскольку в редукторе первой ступени происходит значительное изменение давления на входе и меньшее изменение давления на выходе, редуктор второй ступени реагирует только на малое изменение давления на своем входе от первой ступени и осуществляет минимальное снижение давления на своем выходе.

Для демонстрации эффекта нагнетаемого давления в приведенном ниже примере используется редуктор давления модели KCY. По мере опустошения газового баллона давление в нем снижается с 2500 фунтов на кв. дюйм, ман. (172 бар) до 500 фунтов на кв. дюйм (34 бар). Допустим, SPE каждого редуктора равен 1%. При снижении входного давления редуктора первой ступени на 2000 фунтов на кв. дюйм, ман. (137 бар) давление на его выходе увеличится на 20 фунтов на кв. дюйм, ман. (1,3 бара). В результате этого давление на выходе редуктора второй ступени снизится лишь на 0,20 фунта на кв. дюйм, ман. (0,01 бара). Обратите внимание, что в данном случае изменение выходного давления существенно ниже, чем в предыдущей рассмотренной конструкции редуктора.

С точки зрения минимизации эффекта нагнетаемого давления двухступенчатая конструкция редуктора, как правило, позволяет получить улучшенные результаты по сравнению с одноступенчатой конструкцией и уравновешенным золотником. В условиях, когда один газовый баллон используется в качестве источника для выполнения нескольких операций с одним и тем же выходным давлением, может быть достаточно любого из этих двух вариантов.

С другой стороны, если газовый баллон является источником для выполнения нескольких операций с разным давлением, придется организовать двухступенчатую редукторную систему из двух одноступенчатых редукторов. В таком случае редуктор первой ступени нужно расположить у газового баллона, а редуктор второй ступени — на каждой технологической линии. Зачастую, для минимизации SPE используют системы, в которых двухступенчатый редуктор расположен у источника подачи газа, а одноступенчатый редуктор — в точке применения. Такой избыточный подход соответствует трехступенчатой редукторной системе и не требуется в большинстве областей применения. Два одноступенчатых редуктора, расположенные последовательно, позволят добиться минимального значения SPE при низких затратах. 

Выводы

В случаях, когда редуктор регулирует выходное давление газового баллона, всегда следует учитывать эффект нагнетаемого давления. Изменение давления на входе будет вызывать соответствующее изменение величины давления на выходе. Во многих системах эффект нагнетаемого давления можно минимизировать благодаря применению одноступенчатого редуктора с уравновешенным золотником или двухступенчатого редуктора. Однако если источник газа используется для подачи на несколько направлений с различными значениями требуемого давления, то возможно, понадобится несколько одноступенчатых редукторов — один у источника газа и по одному на каждой технологической линии.

Нужна помощь в выборе подходящего редуктора для вашей жидкостной или газовой системы? Компания Swagelok поможет вам определиться с решениями, которые увеличат эффективность работы ваших уникальных систем. Чтобы узнать подробнее, ознакомьтесь с нашей видеотекой технических рекомендаций по организации подачи на редукторе и спрямлению кривых регулирования.

ОЗНАКОМЬТЕСЬ С ТЕХНИЧЕСКИМИ ВИДЕОРЕКОМЕНДАЦИЯМИ ПО РЕДУКТОРАМ