如何管理用于维持工业气体系统中气体压力控制的减压调节器中的供应压力效应 (SPE)

如何管理工业气体系统中使用的减压调节器中的供应压力效应 (SPE)

Wouter Pronk，世伟洛克高级现场工程师

从气瓶源运行工艺管线的流体系统操作员可能偶尔会无缘无故地观察到减压调节器中出口压力增加的现象。随着气缸排空，调节器的入口压力降低。许多熟练的技术人员会期望出口压力会同时降低，但出口压力反而会上升。这种情况称为供应压力效应 (SPE)。

什么是供给压力效应 (SPE)？

供应压力效应，也称为入口依赖性，定义为出口压力因入口或供应压力的变化而发生的变化。在这种现象下，入口和出口压力的变化相互成反比。如果入口压力降低，则出口压力会相应增加。相反，如果入口压力增加，出口压力就会降低。

监管机构的 SPE 通常由制造商提供。 SPE 通常被描述为描述每次入口压力变化时出口压力变化的比率或百分比。例如，如果一个调节器被描述为具有 1:100 或 1% SPE，每 100 psi 入口压力下降，出口压力将增加 1 psi . 调节器的出口压力变化程度可以用以下公式估算：

弹簧加载调节器中的不平衡与平衡提升阀设计

最常见的调节器类型之一是弹簧加载减压调节器。弹簧在传感元件（隔膜或活塞）上施加力，以控制孔口上方的提升阀，从而控制出口压力。

在非平衡提动阀设计中，入口压力会向上推提动阀芯并将压力施加到等于阀座面积的提动阀芯部分。 因此，入口压力的任何降低都意味着向上推到提升阀上的力较小，从而允许强大的设定弹簧将提升阀稍微推离阀座更远，从而增加出口压力。由此产生的出口压力升高不足以完全抵消设定的弹簧力以将提升阀关闭到其原始位置。结果是 SPE 导致出口压力增加。

因为调节器在力的平衡上运行，所以 SPE 的量可以通过压力作用在提升阀和传感区域上的区域的比率来确定。也就是说，感应面积大、阀芯小的调节器的 SPE 最低，而感应面积小、阀芯大的调节器的 SPE 最高。

为了演示不平衡提升阀设计对 SPE 的影响，逐渐降低入口压力。入口压力为 1160 psig (80 bar) ，出口压力为 43.5 psig (3 bar) .但当入口压力降至 870 psig (60 bar) ，出口压力跃升至 53.7 psig (3.7 bar) .由于入口压力作用在不平衡提升阀的整个表面上，入口压力的任何变化都会产生很大的力变化，从而导致调节器内的力平衡发生更大的变化。

降低供应压力影响的常用方法，尤其是在提升阀通常较大的高流量应用中，是使用具有平衡提升阀设计的调节器。 这种调节器设计的目的是尽量减少高入口压力可以作用的区域。这是通过允许较低的出口压力通过沿提升阀垂直延伸并由围绕提升阀下阀杆的 O 形环密封的孔口到达提升阀底部的一部分来实现的。就 SPE 而言，入口压力的任何变化都会导致力的较小变化，因为压力作用在更小的区域上。

为了演示 SPE 如何影响平衡提动阀调节器，设想逐渐降低入口压力，如之前使用不平衡提动阀设计所展示的那样。和以前一样，入口压力为 1160 psig (80 bar) ，出口压力为 43.5 psig (3 bar) .但是，当入口压力降至 870 psig (60 bar) ，出口压力仅增加到 46.4 psig (3.2 bar) .事实上，即使在 725 psig (50 bar) 的入口压力下 ，出口压力继续稳定在 46.4 psig (3.2 bar) .

请注意平衡提升阀调节器对出口压力的影响是如何从以前的调节器布置中减少的。平衡提升阀调节器的另一个好处是它们能够减少锁定——当下游流量减少到零时提升阀突然关闭的趋势。过度锁定是不可取的，因为当提升阀迅速关闭时，它会导致出口压力峰值。尽管如此，SPE 将始终存在于气体系统中使用的调节器中，无论提升阀设计如何。即使提升阀/阀门关闭得非常慢，无论是在有流动或无流动的动态或静态过程中，都会发生 SPE。空瓶换满瓶后，设定的出口压力会有所不同。明智的设计决策可以简单地帮助减少影响。

单级与两级调节

两级减压是在几乎任何应用中最小化供应压力影响的良好解决方案。这种方法包括串联安装两个单级调节器或将调节器组合成一个组件。双级调节器——例如世伟洛克 ^® KCY 系列调节器在一个主体中进行两级减压 - 是分析仪器系统等低流量应用的强大选择。每个调节器都在一定程度上控制入口压力的变化，但两个调节器一起使出口压力保持在非常接近原始设定点的水平。

为了计算两级调压器设置的出口压力变化，入口压差乘以每个调压器的 SPE。这在以下等式中说明：

请记住，SPE 是入口和出口压力变量之间的反比关系。随着气瓶排空和入口压力降低，第一级调节器将遇到出口压力增加。这种增加将被送入第二级，并导致第二级调节器出口侧的连续下降。由于第一级调节器经历了较大的入口变化并输出较小的出口变化，因此第二级调节器仅对第一级的较小入口变化做出反应，并且在出口侧显示出最小的压力下降。一旦入口压力降至第一级调节器的设定压力以下，该装置将作为单级调节器系统。

为了演示供气压力效应，以下示例使用 KCY 型号减压调节器。气瓶从 2500 psig (172 bar) 排空 至 500 psig (34 bar) .假设每个监管机构都有 1% SPE . 2000 psig (137 bar) 入口压降，第一级调节器将承受 20 psig (1.3 bar) 出口压力增加。由于这种增加，第二级调节器将仅承受 0.20 psig (0.01 bar) 出口压力降低。请注意，与以前的调节器布置相比，对出口压力的影响是如何显着降低的。

在控制供应压力效果方面，两级调节器设置通常会比带有平衡提升阀的单个减压调节器获得更好的结果。 在使用一个气瓶在相同出口压力下进行多个操作的应用中，任何一种选择都可能足够。

另一方面，需要一个气瓶来提供不同压力的多个操作的应用将需要使用两个单级调节器来构成一个两级调节器系统。 如果是这种情况，请在气瓶附近设置第一级调节器，在每条工艺管线或使用点设置第二级调节器。为了最大限度地减少 SPE，系统通常在供气源使用两级调节器，在使用点使用单级调节器。这种过度设置相当于三级调节——这对于大多数应用来说是不必要的。两个串联的单级稳压器将以更低的成本产生最小的 SPE。

了解有关单级和两级压力调节的更多信息：

工程气体分配系统的好处

管理 SPE 的另一种选择是采用完全组装和测试的气体分配系统，该系统由专门设计和配置的模块化子系统组成，以满足您的应用需求。在这些系统中：

• 源入口模块，例如世伟洛克 ^® 源入口 (SSI) 或源入口面板在高压气源和分配系统之间建立连接。对于单个气瓶，组件可以像软管和连接器一样简单，而多个气瓶可能需要包含多个软管和阀门的歧管。这些入口可高度配置为在更换瓶子时吹扫或排放气体（提高操作员的安全性），或者可以创建用于排放单个管线以最大限度地延长正常运行时间。
• 气体面板，例如世伟洛克 ^® 气体面板 (SGP)，完成源气体的第一次减压，并确保其以正确的流速输送到系统的下一个阶段。这是气体分配系统的一部分，可以最好地控制 SPE。减压是通过单个压力调节器在一级或通过双压力调节器布置在两级中完成的。这些气体面板易于维修，因为任何部件都可以拆卸，并且无需拆卸面板。 使用带有双级稳压器的 SGP 是降低 SPE 的一种高度可靠的方法。
• 自动转换系统，例如世伟洛克 ^® 转换 (SCO) 子系统，从一种气源切换到另一种气源，以确保不间断供应。两个带有设置旋钮的压力调节器相互连接，但控制来自不同供气源（由一个或多个气瓶组成）的输入。一个调压器设置为比另一个调压器的压力低，其中一个设置在较高压力下，最初将气体供应到共享出口连接，而在较高设置的调压器的供气用完后，一个设置在较低压力下的设置为供气。通过将设置手柄调整 180°，两个调节器的压力设置反向，允许在系统继续运行的同时更换空气瓶。 精心设计的转换子系统将允许您指定转换设定点，以减少残留在钢瓶中的废气。
• 最后是使用点系统，例如世伟洛克 ^® 使用点 (SPU) 组件在使用气体之前提供最后阶段的压力控制。这些系统通常包括一个调节器、一个压力表和一个隔离阀，并提供一种方便、准确的压力调节方法来满足应用需求。

结论

通过调节器控制气瓶的出口压力，供应压力效应是一种始终存在的现象。每当入口压力发生变化时，出口压力就会发生相应的变化。您可以通过使用具有平衡提升阀设计的单级调节器、使用两级调节器或使用完全可配置的气体面板（如通过世伟洛克 ^{® 气体分配方案。如果您的气源为具有不同压力要求的多个操作提供服务，您可能需要多个单级调节器——一个靠近气源，另一个在每条工艺线上——或者您可以使用设计用于在这些情况下有效执行的预组装气体分配子系统。}

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