Cara Mengelola Efek Tekanan Pasokan (SPE) di Regulator Pengurang Tekanan yang Digunakan untuk Mempertahankan Kontrol Tekanan Gas di Sistem Gas Industri

Bagaimana Mengelola Efek Tekanan Pasokan (SPE) di Regulator Pengurang Tekanan yang Digunakan dalam Sistem Gas Industri

Wouter Pronk, Insinyur Lapangan Senior, Swagelok

Operator sistem fluida yang menjalankan jalur proses dari sumber tabung gas kadang-kadang dapat mengamati fenomena peningkatan tekanan keluar dalam regulator penurun tekanan tanpa alasan yang jelas. Saat silinder kosong, tekanan masuk ke regulator berkurang. Banyak teknisi ahli akan mengharapkan tekanan outlet menurun secara bersamaan, tetapi sebaliknya, tekanan outlet naik. Kejadian ini dikenal sebagai efek tekanan suplai (SPE).

Apa itu Efek Tekanan Pasokan (SPE)?

Efek tekanan suplai, juga disebut sebagai ketergantungan inlet, didefinisikan sebagai perubahan tekanan outlet karena perubahan tekanan inlet, atau suplai. Di bawah fenomena ini, perubahan tekanan inlet dan outlet berbanding terbalik satu sama lain. Jika tekanan inlet menurun, akan ada peningkatan tekanan outlet yang sesuai. Sebaliknya, jika tekanan masuk meningkat, tekanan keluar menurun.

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

Desain Poppet Tidak Seimbang vs. Seimbang pada Regulator Pegas

Salah satu jenis regulator yang paling umum adalah regulator pengurang tekanan pegas. Pegas menerapkan gaya pada elemen penginderaan, baik diafragma atau piston, yang mengontrol poppet di atas lubang—oleh karena itu mengendalikan tekanan keluar.

Dalam desain poppet yang tidak seimbang, tekanan masuk mendorong poppet ke atas dan memberikan tekanan ke bagian poppet yang sama dengan area tempat duduk. Akibatnya, setiap penurunan tekanan masuk berarti lebih sedikit gaya yang mendorong ke poppet, memungkinkan pegas set yang kuat untuk mendorong poppet sedikit lebih jauh dari kursi—sehingga meningkatkan tekanan outlet. Kenaikan tekanan keluaran yang dihasilkan ini tidak cukup kuat untuk sepenuhnya mengimbangi gaya pegas yang disetel untuk menutup poppet ke posisi semula. Hasilnya adalah peningkatan tekanan outlet karena SPE.

Karena regulator beroperasi pada keseimbangan kekuatan, jumlah SPE dapat ditentukan oleh rasio area di mana tekanan bekerja pada poppet dan area penginderaan. Artinya, regulator dengan area penginderaan besar dan poppet kecil akan memiliki SPE terendah dan regulator dengan area penginderaan kecil dan poppet besar akan memiliki SPE tertinggi.

Untuk mendemonstrasikan efek desain poppet yang tidak seimbang pada SPE, turunkan tekanan inlet secara bertahap. Pada tekanan masuk 1160 psig (80 bar) , tekanan keluarnya 43,5 psig (3 bar) . Tetapi ketika tekanan masuk diturunkan menjadi 870 psig (60 bar) , tekanan outlet melonjak ke 53,7 psig (3,7 bar) . Karena tekanan saluran masuk bekerja pada seluruh permukaan poppet yang tidak seimbang, setiap perubahan tekanan saluran masuk menghasilkan perubahan gaya yang besar, mendorong pergeseran keseimbangan gaya yang lebih besar di dalam regulator.

Metode umum untuk mengurangi efek tekanan suplai, terutama dalam aplikasi aliran tinggi di mana poppet umumnya lebih besar, adalah dengan menggunakan regulator dengan desain poppet yang seimbang. Maksud dari desain regulator ini adalah untuk meminimalkan area di mana tekanan masuk yang tinggi dapat bekerja. Hal ini dicapai dengan membiarkan tekanan keluar yang lebih rendah untuk mencapai sebagian dari bagian bawah poppet melalui lubang yang berjalan secara vertikal di sepanjang poppet dan disegel oleh cincin-O di sekitar batang bawah poppet. Dalam hal SPE, setiap perubahan tekanan masuk akan menghasilkan perubahan gaya yang lebih kecil karena tekanan bekerja pada area yang jauh lebih kecil.

Untuk mendemonstrasikan bagaimana SPE berdampak pada regulator poppet yang seimbang, bayangkan secara bertahap penurunan tekanan inlet seperti yang ditunjukkan sebelumnya dengan desain poppet yang tidak seimbang. Sama seperti sebelumnya, pada tekanan masuk 1160 psig (80 bar) , tekanan keluarnya 43,5 psig (3 bar) . Namun, ketika tekanan saluran masuk diturunkan menjadi 870 psig (60 bar) , tekanan keluar hanya meningkat menjadi 46,4 psig (3,2 bar) . Faktanya, bahkan pada tekanan masuk 725 psig (50 bar) , tekanan keluar terus stabil pada 46,4 psig (3,2 bar) .

Perhatikan bagaimana efek pada tekanan outlet dengan regulator poppet yang seimbang berkurang dari pengaturan regulator sebelumnya. Manfaat tambahan dari regulator poppet yang seimbang adalah kemampuannya untuk mengurangi penguncian—kecenderungan poppet untuk menutup saat aliran hilir menurun ke nol. Penguncian yang berlebihan tidak diinginkan karena dapat menyebabkan lonjakan tekanan outlet saat poppet menutup dengan cepat. Namun, SPE akan selalu ada di regulator yang digunakan dalam sistem gas, terlepas dari desain kecilnya. Bahkan jika poppet/valve ditutup sangat lambat, baik dalam proses dinamis atau statis dengan aliran atau tanpa aliran, SPE akan terjadi. Setelah penggantian silinder kosong menjadi silinder penuh, tekanan outlet yang disetel akan berbeda. Keputusan desain yang diinformasikan dapat membantu mengurangi efeknya.

Single-Stage vs. Two-Stage Regulation

Pengurangan tekanan dua tahap adalah solusi yang baik untuk meminimalkan efek tekanan suplai di hampir semua aplikasi. Metode ini melibatkan pemasangan dua regulator satu tahap secara seri atau menggabungkan regulator menjadi satu rakitan. Regulator dua tahap—seperti Swagelok ^® Regulator seri KCY yang melakukan pengurangan tekanan dua tahap dalam satu bodi—merupakan opsi kuat untuk aplikasi aliran rendah seperti sistem instrumentasi analitik. Setiap regulator mengontrol variasi tekanan masuk hingga tingkat tertentu, tetapi bersama-sama, kedua regulator menjaga tekanan keluar sangat dekat dengan titik setel awal.

Untuk menghitung variabilitas tekanan outlet untuk pengaturan regulator dua tahap, perbedaan tekanan inlet dikalikan dengan SPE masing-masing regulator. Hal ini diilustrasikan dalam persamaan berikut:

Perlu diingat bahwa SPE adalah hubungan terbalik antara variabel tekanan masuk dan keluar. Regulator tahap pertama akan mengalami peningkatan tekanan keluar saat tabung gas kosong dan tekanan masuk menurun. Peningkatan ini akan diumpankan ke tahap kedua dan menghasilkan penurunan yang berhasil pada sisi outlet regulator tahap kedua. Karena regulator tahap pertama mengalami perubahan inlet yang besar dan mengeluarkan perubahan outlet yang lebih kecil, regulator tahap kedua hanya bereaksi terhadap perubahan inlet kecil dari tahap pertama dan menunjukkan penurunan tekanan minimal di sisi outlet. Segera setelah tekanan masuk turun di bawah tekanan yang disetel dari regulator tahap pertama, penyetelan akan bertindak sebagai sistem regulator satu tahap.

Untuk mendemonstrasikan efek tekanan suplai, contoh di bawah ini menggunakan regulator penurun tekanan model KCY. Tabung gas kosong dari 2500 psig (172 bar) hingga 500 psig (34 bar) . Asumsikan bahwa setiap regulator memiliki 1% SPE . Dengan 2000 psig (137 bar) penurunan tekanan masuk, regulator tahap pertama akan mengalami 20 psig (1,3 bar) peningkatan tekanan keluar. Akibat kenaikan tersebut, regulator tahap kedua hanya akan mengalami 0,20 psig (0,01 bar) penurunan tekanan keluar. Perhatikan bagaimana efek pada tekanan outlet berkurang secara dramatis dari pengaturan regulator sebelumnya.

Dalam hal mengontrol efek tekanan suplai, pengaturan regulator dua tahap biasanya akan mencapai hasil yang lebih baik daripada regulator penurun tekanan tunggal dengan poppet yang seimbang. Dalam aplikasi yang menggunakan satu tabung gas untuk sumber beberapa operasi di bawah tekanan outlet yang sama, salah satu opsi mungkin cukup.

Di sisi lain, aplikasi yang memerlukan tabung gas untuk memasok beberapa operasi dengan tekanan yang berbeda perlu menggunakan dua regulator satu tahap untuk membuat sistem regulator dua tahap. Jika demikian, pasang regulator tahap pertama di dekat tabung gas dan regulator tahap kedua di setiap jalur proses atau di titik penggunaan. Untuk meminimalkan SPE, sistem sering dibangun dengan regulator dua tahap pada sumber pasokan gas dan regulator satu tahap pada titik penggunaan. Penyiapan yang berlebihan ini menghasilkan regulasi tiga tahap—yang tidak diperlukan untuk sebagian besar aplikasi. Dua regulator satu tahap secara seri akan menghasilkan SPE minimal dengan biaya lebih rendah.

Pelajari lebih lanjut tentang regulasi tekanan satu dan dua tahap:

Manfaat Sistem Distribusi Gas Rekayasa

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

• Modul saluran masuk sumber, seperti Swagelok ^® saluran masuk sumber (SSI), atau panel saluran masuk sumber membuat sambungan antara sumber gas bertekanan tinggi dan sistem distribusi. Untuk tabung gas tunggal, perakitan dapat sesederhana selang dan konektor, sementara beberapa silinder mungkin memerlukan manifold yang menggabungkan beberapa selang dan katup. Saluran masuk ini dapat sangat dapat dikonfigurasi untuk mengeluarkan atau membuang gas saat mengganti botol—meningkatkan keselamatan operator—atau dapat dibuat untuk mengalirkan saluran individual untuk memaksimalkan waktu kerja.
• Panel gas, seperti Swagelok ^® panel gas (SGP), menyelesaikan pengurangan tekanan pertama dari gas sumber dan memastikannya disalurkan pada laju aliran yang benar ke tahap sistem berikutnya. Ini adalah bagian dari sistem distribusi gas di mana SPE dapat dikontrol dengan baik. Pengurangan tekanan dilakukan dalam satu tahap dengan pengatur tekanan tunggal atau dua tahap melalui pengaturan pengatur tekanan ganda. Panel gas ini mudah diservis, karena bagian mana pun dapat dilepas dan panel tidak perlu dilepas. Menggunakan SGP dengan regulator dua tahap adalah cara yang sangat andal untuk mengurangi SPE.
• Sistem pergantian otomatis, seperti Swagelok ^® Subsistem Changeover (SCO), beralih dari satu sumber gas ke sumber gas lainnya untuk memastikan pasokan tidak terputus. Dua pengatur tekanan dengan kenop yang disetel terhubung satu sama lain, tetapi mengontrol input dari sumber pasokan gas yang terpisah (terdiri dari satu atau lebih tabung gas). Satu regulator diatur ke tekanan yang lebih rendah dari yang lain, dengan satu set pada tekanan yang lebih tinggi awalnya memasok gas ke koneksi outlet bersama dan satu set pada tekanan rendah memasok gas setelah pasokan gas regulator yang lebih tinggi habis. Dengan menyetel pegangan set 180°, pengaturan tekanan kedua regulator dibalik, memungkinkan silinder kosong untuk dipertukarkan sementara sistem terus beroperasi. Subsistem changeover yang dirancang dengan baik akan memungkinkan Anda menentukan setpoint changeover untuk mengurangi sisa gas terbuang di dalam silinder.
• Akhirnya, sistem tempat penggunaan, seperti Swagelok ^® Rakitan Point-of-Use (SPU), menyediakan tahap akhir kontrol tekanan sebelum gas digunakan. Sistem ini biasanya mencakup regulator, pengukur, dan katup isolasi serta menawarkan metode penyesuaian tekanan yang nyaman dan akurat untuk memenuhi kebutuhan aplikasi.

Kesimpulan

Dengan regulator yang mengontrol tekanan keluar dari tabung gas, efek tekanan suplai adalah fenomena yang akan selalu ada. Setiap kali ada perubahan tekanan inlet, akan ada perubahan yang sesuai dalam tekanan outlet. Anda dapat meminimalkan efek tekanan suplai untuk banyak aplikasi dengan menggunakan regulator satu tahap dengan desain poppet yang seimbang, dengan menggunakan regulator dua tahap, atau dengan menggunakan panel gas yang dapat dikonfigurasi sepenuhnya seperti yang tersedia melalui Swagelok ^® program distribusi gas. Jika sumber gas Anda melayani beberapa operasi dengan persyaratan tekanan yang berbeda, Anda mungkin memerlukan beberapa regulator satu tahap—satu di dekat sumber gas dan satu lagi di setiap jalur proses—atau Anda dapat menggunakan subsistem distribusi gas yang telah dirakit sebelumnya yang dirancang untuk bekerja secara efektif dalam kasus ini.

Perlu bantuan memilih regulator yang tepat untuk aplikasi sistem cairan Anda? Kami dapat membantu Anda dalam mengidentifikasi solusi untuk meningkatkan operasi berdasarkan sistem unik Anda. Penasihat sistem distribusi gas tersedia untuk mengevaluasi sistem distribusi gas Anda yang ada dan mengidentifikasi peluang untuk peningkatan, dan rekanan di pusat penjualan dan layanan Swagelok setempat juga dapat memberi tahu Anda tentang pemilihan komponen. Untuk informasi lebih lanjut, hubungi menggunakan tautan di bawah ini.