Mengelola Efek Tekanan Pasokan dalam Regulator Tekanan Reduksi Industri untuk Kontrol Tekanan Gas yang Konsisten

Cara Mengelola Efek Tekanan Pasokan (SPE) dalam Regulator Tekanan Reduksi yang Digunakan dalam Sistem Gas Industri

Wouter Pronk, Insinyur Lapangan Senior, Swagelok

Operator sistem fluida yang menjalankan garis proses dari sumber silinder gas kadang-kadang dapat mengamati fenomena peningkatan tekanan keluar dalam regulator tekanan reduksi tanpa alasan yang jelas. Saat silinder kosong, tekanan masuk ke regulator menurun. Banyak teknisi terampil akan berharap tekanan keluar menurun secara bersamaan, namun malah tekanan keluar naik. Kejadian ini dikenal sebagai efek tekanan pasokan (SPE).

Apa itu Efek Tekanan Pasokan (SPE)?

Efek tekanan pasokan, juga disebut ketergantungan masuk, didefinisikan sebagai perubahan tekanan keluar karena perubahan tekanan masuk, atau pasokan. Di bawah fenomena ini, perubahan tekanan masuk dan keluar bersifat proporsi terbalik satu sama lain. Jika tekanan masuk menurun, akan terjadi peningkatan tekanan keluar yang sesuai. Sebaliknya, jika tekanan masuk meningkat, tekanan keluar menurun.

SPE regulator biasanya disediakan oleh produsen. SPE biasanya digambarkan sebagai rasio atau persentase yang menggambarkan perubahan tekanan keluar per perubahan tekanan masuk. Misalnya, jika regulator digambarkan sebagai memiliki SPE 1:100 atau 1%, untuk setiap penurunan 100 psi tekanan masuk, tekanan keluar akan meningkat sebesar 1 psi. Tingkat variasi tekanan keluar untuk regulator dapat diestimasi dengan rumus berikut:

Desain Poppet Tidak Seimbang vs. Seimbang dalam Regulator Pemuat Pegas

Salah satu tipe regulator yang paling umum adalah regulator tekanan reduksi pemuat pegas. Sebuah pegas memberikan gaya pada elemen sensor, baik diafragma atau piston, yang mengontrol poppet atas orifice—oleh karena itu mengontrol tekanan keluar.

Dalam desain poppet tidak seimbang, tekanan masuk mendorong poppet ke atas dan memberikan tekanan pada sebagian poppet yang sama dengan luas kursi. Akibatnya, setiap penurunan tekanan masuk berarti lebih sedikit gaya yang mendorong ke atas pada poppet, memungkinkan pegas set yang kuat untuk mendorong poppet sedikit lebih jauh dari kursi—maka meningkatkan tekanan keluar. Peningkatan tekanan keluar yang dihasilkan ini tidak cukup kuat untuk sepenuhnya menyeimbangkan gaya pegas set untuk menutup poppet ke posisi aslinya. Hasilnya adalah peningkatan tekanan keluar karena SPE.

Karena regulator bekerja pada keseimbangan gaya, jumlah SPE dapat ditentukan oleh rasio luas di mana tekanan bertindak pada poppet dan area sensor. Dengan kata lain, regulator dengan area sensor besar dan poppet kecil akan memiliki SPE terendah dan yang memiliki area sensor kecil dan poppet besar akan memiliki SPE tertinggi.

Untuk menunjukkan efek desain poppet tidak seimbang pada SPE, kurangi tekanan masuk secara bertahap. Pada tekanan masuk 1160 psig (80 bar), tekanan keluar adalah 43.5 psig (3 bar). Namun ketika tekanan masuk dikurangi menjadi 870 psig (60 bar), tekanan keluar melonjak menjadi 53.7 psig (3.7 bar). Karena tekanan masuk bertindak pada seluruh permukaan poppet tidak seimbang, setiap perubahan tekanan masuk menghasilkan perubahan gaya yang besar, yang mendorong pergeseran yang lebih besar dalam keseimbangan gaya dalam regulator.

Salah satu metode umum untuk mengurangi efek tekanan pasokan, terutama dalam aplikasi aliran tinggi di mana poppet umumnya lebih besar, adalah menggunakan regulator dengan desain poppet seimbang. Tujuan desain regulator ini adalah untuk meminimalkan luas di mana tekanan masuk tinggi dapat bertindak. Ini dicapai dengan mengizinkan tekanan keluar yang lebih rendah mencapai sebagian sisi bawah poppet melalui orifice yang berjalan vertikal sepanjang poppet dan diedapkan oleh O-ring di sekitar batang bawah poppet. Dalam hal SPE, setiap perubahan tekanan masuk akan menghasilkan perubahan gaya yang lebih kecil karena tekanan bertindak pada area yang jauh lebih kecil.

Untuk menunjukkan bagaimana SPE mempengaruhi regulator poppet seimbang, bayangkan mengurangi tekanan masuk secara bertahap seperti yang ditunjukkan sebelumnya dengan desain poppet tidak seimbang. Sama seperti sebelumnya, pada tekanan masuk 1160 psig (80 bar), tekanan keluar adalah 43.5 psig (3 bar). Namun ketika tekanan masuk dikurangi menjadi 870 psig (60 bar), tekanan keluar hanya meningkat menjadi 46.4 psig (3.2 bar). Bahkan pada tekanan masuk 725 psig (50 bar), tekanan keluar terus stabil pada 46.4 psig (3.2 bar).

Perhatikan bagaimana efek pada tekanan keluar dengan regulator poppet seimbang berkurang dari pengaturan regulator sebelumnya. Manfaat tambahan dari regulator poppet seimbang adalah kemampuan mereka untuk mengurangi lockup—kecenderungan poppet untuk menutup tiba-tiba saat aliran hilir menurun ke nol. Lockup berlebihan tidak diinginkan karena dapat menyebabkan lonjakan tekanan keluar saat poppet menutup dengan cepat. Namun, SPE akan selalu ada dalam regulator yang digunakan dalam sistem gas, terlepas dari desain poppet. Bahkan jika poppet/klep ditutup sangat perlama, baik dalam proses dinamis atau statis dengan aliran atau tanpa aliran, SPE akan terjadi. Setelah pergantian silinder kosong dengan yang penuh, tekanan keluar yang diatur akan berbeda. Keputusan desain yang tepat dapat membantu mengurangi efeknya.

Regulasi Tunggal vs. Dua Tahap

Pengurangan tekanan dua tahap adalah solusi yang baik untuk meminimalkan efek tekanan pasokan dalam hampir setiap aplikasi. Metode ini melibatkan pemasangan dua regulator satu tahap secara berurutan atau menggabungkan regulator ke dalam satu rangkaian. Regulator dua tahap—seperti regulator seri KCY Swagelok^® yang melakukan pengurangan tekanan dua tahap dalam satu badan—adalah opsi yang kuat untuk aplikasi aliran rendah seperti sistem instrumentasi analitik. Setiap regulator mengontrol variasi tekanan masuk hingga beberapa derajat, tetapi bersama-sama, kedua regulator menjaga tekanan keluar sangat dekat dengan titik set asli.

Untuk menghitung variabilitas tekanan keluar untuk pengaturan regulator dua tahap, selisih tekanan masuk dikalikan dengan SPE dari setiap regulator. Ini diilustrasikan dalam persamaan berikut:

Ingatlah bahwa SPE adalah hubungan terbalik antara variabel tekanan masuk dan keluar. Regulator tahap pertama akan mengalami peningkatan tekanan keluar saat silinder gas kosong dan tekanan masuk menurun. Peningkatan ini akan dimasukkan ke tahap kedua dan menghasilkan penurunan yang berikutnya pada sisi keluar regulator tahap kedua. Karena regulator tahap pertama mengalami perubahan masuk yang besar dan menghasilkan perubahan keluar yang lebih kecil, regulator tahap kedua hanya bereaksi terhadap perubahan masuk kecil dari tahap pertama dan menunjukkan penurunan tekanan minimal pada sisi keluar. Segera setelah tekanan masuk menurun di bawah tekanan set regulator tahap pertama, pengaturan akan bertindak seperti sistem regulator satu tahap.

Untuk menunjukkan efek tekanan pasokan, contoh di bawah menggunakan model regulator tekanan reduksi KCY. Silinder gas kosong dari 2500 psig (172 bar) menjadi 500 psig (34 bar). Asumsikan setiap regulator memiliki 1% SPE. Dengan penurunan tekanan masuk 2000 psig (137 bar), regulator tahap pertama akan mengalami peningkatan tekanan keluar sebesar 20 psig (1.3 bar). Akibat peningkatan tersebut, regulator tahap kedua hanya akan mengalami penurunan tekanan keluar sebesar 0.20 psig (0.01 bar). Perhatikan bagaimana efek pada tekanan keluar sangat berkurang dari pengaturan regulator sebelumnya.

Dalam hal mengontrol efek tekanan pasokan, pengaturan regulator dua tahap biasanya akan mencapai hasil yang lebih baik daripada satu regulator tekanan reduksi dengan poppet seimbang. Dalam aplikasi yang menggunakan satu silinder gas untuk menyediakan banyak operasi di bawah tekanan keluar yang sama, salah satu opsi mungkin cukup.

Di sisi lain, aplikasi yang memerlukan silinder gas untuk menyediakan banyak operasi dengan tekanan yang berbeda akan perlu menggunakan dua regulator satu tahap untuk membuat sistem regulator dua tahap. Jika ini adalah kasus, atur regulator tahap pertama dekat silinder gas dan regulator tahap kedua pada setiap garis proses atau di titik penggunaan. Untuk meminimalkan SPE, sistem sering dibangun dengan regulator dua tahap di sumber pasokan gas dan regulator satu tahap di titik penggunaan. Pengaturan berlebihan ini berjumlah tiga tahap regulasi—yang tidak diperlukan untuk sebagian besar aplikasi. Dua regulator satu tahap secara berurutan akan menghasilkan SPE minimal dengan biaya lebih rendah.

Pelajari lebih lanjut tentang regulasi tekanan satu dan dua tahap:

Manfaat Sistem Distribusi Gas yang Direkayasa

Pilihan lain untuk mengelola SPE adalah dengan menggunakan sistem distribusi gas yang terpasang dan diuji sepenuhnya yang terdiri dari subsistem modular yang dirancang dan dikonfigurasi secara khusus untuk memenuhi kebutuhan aplikasi Anda. Dalam sistem ini:

• Modul inlet sumber, seperti inlet sumber Swagelok^® (SSI), atau panel inlet sumber mendirikan koneksi antara sumber gas tekanan tinggi dan sistem distribusi. Untuk satu silinder gas, rangkaian dapat semangat sederhana seperti selang dan konektor, sedangkan beberapa silinder mungkin memerlukan manifol yang menggabungkan beberapa selang dan katup. Inlet ini dapat sangat dapat dikonfigurasi untuk membersihkan atau membuang gas saat mengganti botol—mempertajam keselamatan operator—atau dapat dibuat untuk membuang garis individu untuk memaksimalkan waktu operasional.
• Panel gas, seperti panel gas Swagelok^® (SGP), menyelesaikan pengurangan tekanan pertama dari gas sumber dan memastikan gas disampaikan pada laju aliran yang benar ke tahap berikutnya sistem. Ini adalah bagian sistem distribusi gas di mana SPE dapat dikontrol paling baik. Pengurangan tekanan dicapai dalam satu tahap dengan satu regulator tekanan atau dua tahap melalui pengaturan regulator tekanan ganda. Panel gas ini mudah dirawat, karena bagian mana pun dapat dilepas dan panel tidak pernah perlu diangkat. Menggunakan SGP dengan regulator dua tahap adalah cara yang sangat terpercaya untuk mengurangi SPE.
• Sistem pergantian otomatis, seperti subsistem Pergantian Swagelok^® (SCO), beralih dari satu sumber gas ke sumber lain untuk memastikan pasokan yang tidak terganggu. Dua regulator tekanan dengan knob set terhubung satu sama lain, tetapi mengontrol masukan dari sumber pasokan gas terpisah (yaitu satu atau lebih silinder gas). Satu regulator diatur pada tekanan lebih rendah dari yang lain, dengan yang diatur pada tekanan yang lebih tinggi awalnya menyediakan gas ke koneksi keluar bersama dan yang diatur pada tekanan yang lebih rendah menyediakan gas setelah pasokan gas regulator yang set lebih tinggi habis. Dengan menyesuaikan handle set 180°, pengaturan tekanan kedua regulator dibalik, memungkinkan silinder kosong ditukar sementara sistem terus beroperasi. Subsistem pergantian yang dirancang dengan baik akan memungkinkan Anda menentukan titik set pergantian untuk mengurangi gas yang sia-sia yang tersisa di silinder.
• Terakhir, sistem titik penggunaan, seperti rangkaian Titik Penggunaan Swagelok^® (SPU), menyediakan tahap akhir kontrol tekanan sebelum gas digunakan. Sistem ini biasanya mencakup regulator, indikator tekanan, dan katup isolasi dan menawarkan metode yang nyaman dan akurat untuk menyesuaikan tekanan agar memenuhi kebutuhan aplikasi.

Kesimpulan

Dengan regulator mengontrol tekanan keluar dari silinder gas, efek tekanan pasokan adalah fenomena yang akan selalu ada. Kapan pun ada perubahan tekanan masuk, akan ada perubahan tekanan keluar yang sesuai. Anda dapat meminimalkan efek tekanan pasokan untuk banyak aplikasi dengan menggunakan regulator satu tahap dengan desain poppet seimbang, dengan menggunakan regulator dua tahap, atau dengan menggunakan panel gas yang dapat dikonfigurasi sepenuhnya seperti yang tersedia melalui program distribusi gas Swagelok^®. Jika sumber gas Anda melayani banyak operasi dengan persyaratan tekanan yang berbeda, Anda mungkin memerlukan beberapa regulator satu tahap—satu dekat sumber gas dan yang lain pada setiap garis proses—atau Anda dapat menggunakan subsistem distribusi gas yang telah dirangka sebelumnya yang dirancang untuk beroperasi dengan efektif dalam kasus-kasus ini.

Butuh bantuan memilih regulator yang tepat untuk aplikasi sistem fluida Anda? Kami dapat membantu Anda mengidentifikasi solusi untuk meningkatkan operasi berdasarkan sistem unik Anda. Penasihat sistem distribusi gas tersedia untuk mengevaluasi sistem distribusi gas yang ada Anda dan mengidentifikasi peluang untuk perbaikan, dan rekan-rekan di pusat penjualan dan layanan Swagelok lokal Anda juga dapat menasihati Anda tentang pemilihan komponen. Untuk informasi lebih lanjut, hubungi melalui tautan di bawah.