Jest wiele różnych typów i konstrukcji regulatorów, mogą być one wykonane z różnych materiałów. Dlatego należy je dobierać ze szczególną starannością.
Na przykład wszędzie tam, gdzie występują korozyjne gazy lub ciecze albo agresywne czynniki zagrażające środowisku naturalnemu, trzeba rozważyć zastosowanie regulatora wykonanego ze stali nierdzewnej. Regulatory ze stali nierdzewnej to także reduktory ciśnienia, zwrotne i parowe. Z każdego rodzaju można wybierać regulatory jedno- i dwustopniowe oraz tłokowe i membranowe. Decydując się na odpowiedni typ regulatora, należy zastanowić się nad materiałami konstrukcyjnymi jego kluczowych elementów.
Regulatory ciśnienia: redukcyjne i zwrotne
Regulatory to kluczowe punkty oddzielające stronę wysokiego ciśnienia od niskiego. Po stronie wysokiego ciśnienia regulator mechanicznie kontroluje spadek ciśnienia, wskutek czego niskie ciśnienie będzie względnie stałe. Większość typowych zastosowań wymaga regulatora redukującego ciśnienie, co oznacza, że ciśnienie na wlocie w sposób kontrolowany jest zmniejszane mechanicznie, w rezultacie na wylocie uzyskuje się relatywnie stałe ciśnienie. Czasami potrzebna jest regulacja zwrotna. W takich przypadkach regulator zwrotny mechanicznie kontroluje ciśnienie na wylocie, tak aby relatywnie stałe ciśnienie można było uzyskać na wlocie do procesu.
Na rys. 1 przedstawiono układ analizatora z redukcyjnym i zwrotnym regulatorami ciśnienia, spełniającymi typowe dla tego zastosowania funkcje. Do regulatora redukcji ciśnienia z przewodu technologicznego dochodzi wysokie ciśnienie (35 do 40 barów), w regulatorze następuje redukcja ciśnienia do stabilnego ciśnienia zasilania (1,975 do 2,025 barów). Gaz o takich parametrach wpływa do analizatora. W tym zastosowaniu system analizatora wymaga ciśnienia 2 barów. Z powodu fluktuacji ciśnienia w strumieniu technologicznym, do którego jest zawracana analizowana próbka, zastosowano regulator zwrotny. Utrzymuje on stabilne ciśnienie po stronie wlotu i ekranuje wylot analizatora przed fluktuacjami ciśnienia.
Rys. 1. Analizator procesu z regulatorem redukcji ciśnienia i zwrotnym
Regulatory parowe
Regulator parowy jest to regulator redukujący ciśnienie, który ma wbudowany parowy lub elektryczny element grzejny i jest stosowany zarówno do zapobiegania, jak i do indukowania przemiany fazowej. W niektórych przypadkach, w efekcie gwałtownego rozprężenia, wskutek zjawiska Joule-Thompsona, gaz oziębia się w procesie całkowitej lub częściowej przemiany z gazu w ciecz. Wtedy regulator może zamarznąć. Regulator parowy ma ogrzewanie w miejscu spadku ciśnienia, co zapobiega przemianie fazowej i zamarznięciu. W innych przypadkach może być wymagane wykonanie analizy cieczy w postaci parowej – ma to miejsce w przypadku chromatografów gazowych, wtedy ciepło z regulatora służy do odparowania cieczy.
Regulatory jedno- i dwustopniowe
Jednostopniowe regulatory redukcji ciśnienia są niezbędne w większości zastosowań, w których wymagane jest, aby ciśnienie na wejściu było względnie stałe. Podczas gdy regulatory jednostopniowe są bardziej podatne na wpływ ciśnienia wlotowego (SPE – Supply Pressure Efekt) niż regulatory dwustopniowe, czynnikiem decydującym o wyborze są wahania ciśnienia po stronie wysokiego ciśnienia. SPE jest to zdolność regulatora do dostosowania się do zmian ciśnienia po stronie dopływu wysokiego ciśnienia do tego regulatora. W zastosowaniach, gdzie wysokie ciśnienie na wlocie podlega dużym fluktuacjom, regulator z niskim SPE zapewni najbardziej stabilny strumień wylotowy niskiego ciśnienia. Dlatego jednostopniowy regulator będzie zazwyczaj dostarczał stabilne ciśnienie na wylocie, gdy zasilanie wysokim ciśnieniem jest stabilne.
Wysokiej jakości jednostopniowy regulator dostarczy ciśnienie na wylocie z tolerancją, którą można obliczyć według następującego wzoru:
ΔP (na wylocie) = ΔP (na wlocie) x 0,01
Innymi słowy, wahanie ciśnienia na wyjściu odpowiada 1% wahania ciśnienia na wejściu. Na rys. 1 ciśnienie wlotowe zmienia się w zakresie 5 barów, stąd 5 barów x 0,01 równa się zmienności ciśnienia na wyjściu równej 0,05 bara. Jeśli ciśnienie na wyjściu zostanie ustawione na 2 bary, a ciśnienie dolotowe zmienia się z 35 do 40 barów (wzrasta), ciśnienie na wylocie będzie się zmieniać w kierunku malejącym, czyli spadać z 2 do 1, 95 bara. Odwrotna zależność pomiędzy wzrostem ciśnienia po stronie wysokiego ciśnienia i spadkiem po stronie niskiego ciśnienia jest typowa dla regulatorów jednostopniowych. Wzrost wysokiego ciśnienia powoduje nieznaczne przyblokowanie gniazda zaworu, co prowadzi do zmniejszenia prześwitu i odpowiadającego temu ciśnienia wylotowego.
Regulator dwustopniowy składa się z dwóch regulatorów jednostopniowych połączonych szeregowo i złożonych w jeden element (rys. 2). Pierwszy regulator redukuje dopływ wysokiego ciśnienia do wartości pośredniej pomiędzy ciśnieniem na wlocie a wymaganym ciśnieniem na wylocie. Drugi regulator redukuje ciśnienie pośrednie do wymaganego ciśnienia na wylocie. Można obliczyć fluktuacje (zmienność) ciśnienia na wylocie – dla wysokiej jakości regulatora dwustopniowego zmienność ciśnienia na wlocie po stronie zasilania wysokim ciśnieniem jest mnożona przez 0,0001, ponieważ każdy regulator redukuje zmienność o 1% (0,01×0,01=0,0001).
Rys. 2. Regulator dwustopniowy
W typowym dwustopniowym regulatorze cylinder gazowy jest opróżniany prawie przy stałym ciśnieniu wylotowym. Po opróżnieniu cylindra ciśnienie na wlocie do regulatora spadnie ze 175 barów do 5 barów wtedy, gdy przykładowo cylinder jest całkowicie opróżniony. W takim przypadku zmienność ciśnienia wlotowego wynosi 170 barów. Jeśli docelowe ciśnienie na wylocie powinno wynieść 2 bary, przy regulatorze dwustopniowym będzie ono spadać z 2 do 1,983 barów. Innymi słowy, jeśli ten sam cylinder gazowy byłby wyposażony tylko w regulator jednostopniowy, ciśnienie spadałoby z 2 barów do 0,3 bara.
Zastosowanie regulatora dwustopniowego jest wygodne, ale w niektórych aplikacjach dwa jednostopniowe regulatory mogą pracować tak samo dobrze lub nawet lepiej. Sprawdza się to w ustawieniach naprzemiennych (skrzyżowanych), gdy dwa cylindry gazowe zasilają jedno wejście (rys. 3). Pierwszy cylinder jest stosowany, dopóki jego ciśnienie nie spadnie poniżej ustalonej wartości, po czym następuje zasilanie z drugiego cylindra. Regulatory jednostopniowe są wtedy zamocowane do każdego cylindra. Dodatkowy regulator (często nazywany regulatorem liniowym) znajduje się na wejściu do układu, tak aby przez cały czas gaz przepływał przez dwa regulatory.
Rys. 3. Ustawienie krzyżowe z jednostopniowymi regulatorami działającymi razem, co jest równoważne regulatorowi dwustopniowemu
Regulatory membranowe
Regulatory membranowe są zwykle bardzo czułe na zmiany ciśnienia, szczególnie przy niskich ciśnieniach. Zależnie od parametrów tych urządzeń mogą być stosowane do pracy z ciśnieniem aż do 248 barów. W regulatorze membranowym cienka metalowa membrana reaguje (wygina się) na zmiany wysokiego ciśnienia wlotowego. To wygięcie powoduje, że grzybek regulatora wsuwa się do i wysuwa się z gniazda zaworu regulatora. To kompensujące działanie powoduje, że ciśnienie na wyjściu pozostaje stałe. Gdy ciśnienie na wlocie wzrasta, membrana wygina się tak, że grzybek wsuwa się do gniazda i redukuje efekt wzrostu ciśnienia na wlocie, w rezultacie uzyskuje się stałe ciśnienie na wylocie. Gdy ciśnienie na wlocie spada, siła jego jest mniejsza, wskutek czego membrana ugina się w dół i wypycha grzybek z gniazda. To powoduje wzrost przepływu gazu przez regulator, wynikiem tego jest stabilizacja ciśnienia na wylocie.
Elastyczność membrany jest podstawą długiego czasu eksploatacji regulatora, co można osiągnąć na dwa sposoby. Membrana może być perforowana, a następnie powleczona PTFE (politetrafluoroetylen) lub innym elastycznym materiałem. Jednakże PTFE może ulegać erozji, co w tym przypadku będzie prowadzić do przecieków (nieszczelności), które mogą wystąpić, gdyż membrana ma otworki. Alternatywnym rozwiązaniem jest stosowanie jednolitej, zwiniętej membrany o falistej konfiguracji na jej obwodzie celem poprawienia elastyczności.
Prawdopodobnie najlepszym uszczelnieniem dla regulatora membranowego jest uszczelnienie metal-metal, które jest mniej wrażliwe na wahania temperatury. W tym rozwiązaniu membrana jest osadzona w korpusie regulatora i przymocowana kołpakiem. Płytka mocująca umieszczona pomiędzy membraną a kołpakiem chroni membranę przed zniszczeniem oraz wspomaga w równomiernym rozłożeniu ciśnienia na całej powierzchni membrany.
Grzybek wykonano z wysokogatunkowej stali nierdzewnej S17400 elektropolerowanej, tak aby zapewnić wysoką tolerancję szczelności gniazda zaworu, gdyż jest to element o podstawowym znaczeniu w regulatorze membranowym. W regulatorze redukcyjnym grzybek jest wyposażony w sprężynę i utrzymywany pionowo w kanale wlotowym, a jego wierzchołek jest w stałym kontakcie z membraną.
Grzybek popychany do góry i membrana popychana do dołu razem zapewniają wymaganą równowagę układu. Grzybek zamyka i otwiera wlot regulatora, jego stożkowy kształt jest dobrze dopasowany do precyzyjnie obrobionego gniazda grzybka. Amortyzator zamontowany u dołu grzybka służy do redukowania poziomu hałasu i wibracji grzybka przy dużych przepływach.
W czystych technologiach duże znaczenie ma odpowiedni dobór materiałów konstrukcyjnych membrany i gniazda grzybka. Np. membrana wykonana z elastycznego, odpornego na korozję stopu może być bardziej odpowiednia niż membrana wykonana ze stali nierdzewnej 316. Podobnie gniazdo grzybka jest bardzo ważne i powinno być dobrane pod względem kompatybilności chemicznej, wymagań z zakresu ciśnienia i temperatury.
Regulatory tłokowe
Regulatory tłokowe są zwykle stosowane do ciśnień wyższych (ponad 35 barów), chociaż mogą być także używane przy ciśnieniach niższych. Ciśnienie jest kontrolowane za pomocą tłoka ze sprężyną, tłok jest nieelastycznym krążkiem, który leży poziomo w pionowym cylindrze regulatora. Tłok jest uszczelniony względem ścianek cylindra za pomocą O-ringów wykonanych z elastomerów.
Grubość tłoka oraz uszczelnienie O-ringiem powoduje, że regulator tłokowy może osiągać wyższe ciśnienie robocze niż regulatory membranowe.
Bardzo istotna jest zgodność materiału O-ringu ze strumieniem technologicznym podlegającym regulacji. Również wykończenie powierzchni wnętrza komory ma podstawowe znaczenie, gdyż O-ring powinien swobodnie się przemieszczać w górę i dół pomiędzy tłokiem a ścianką cylindra, co ma wpływ na czułość regulatora.
UR
Bill Menz, Swagelok Company
Bill Menz jest specjalistą handlowym ds. oprzyrządowania analitycznego i procesowego w firmie Swagelok Co. w Solon, OH.
Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej
Zapobieganie wzrostowi fluktuacji ciśnienia „droop” i odkształceniu „creep”
Przy regulatorach ciśnienia występują dwa niepożądane zjawiska, są to: „droop” i „creep”(Nie ma polskich odpowiedników tych terminów). „Creep”– pełzanie ciśnienia regulowanego na wyjściu z regulatora. „Droop”– zmniejszanie się ciśnienia regulowanego przy wzroście natężenia przepływu przez regulator.
„Droop” dotyczy ogólnej sprawności regulatora i występuje wtedy, gdy potrzebny jest większy przepływ na wylocie, niż regulator może zapewnić. Innymi słowy, wydajność regulatora (często podawana jako wydajność przepływu lub Cv) nie jest odpowiednia do danego zastosowania. Sposobem na uniknięcie „droop” jest dobranie właściwego regulatora o przepływie dostosowanym do aplikacji.
„Creep” występuje wtedy, gdy grzybek znajduje się w położeniu zamknięcia, ale gniazdo pozwala na utratę ciśnienia po stronie wylotu. Przyczyną tego zjawiska jest najczęściej uszkodzenie gniazda lub jego erozja. Przykładowo, gniazda zaworów regulacyjnych mogą ulec uszkodzeniu przez cząstki stałe ze strumienia technologicznego, które mogą spowodować bardzo niewielkie zmiany na powierzchni uszczelniającej. Wysoki przepływ i mały prześwit istniejące podczas regulacji ciśnienia sprzyjają powstawaniu bardzo małych cząstek o bardzo dużej sile rażenia. Takie małe cząstki – pociski, mogą robić mikrowyrwy na powierzchni gniazda i powodować nieszczelność, czyli przenikanie ciśnienia ze strony wlotowej wysokiego ciśnienia do strony wylotowej niskiego ciśnienia.
W układach zamkniętych taka nieszczelność może zrównać ciśnienie wlotowe i wylotowe, co jest bardzo niepożądane. Gdy układ jest otwarty poprzez zawór kontrolny, skutkiem wysokiego ciśnienia może być jego rozsadzenie. „Creep” zasadniczo jest powodowany przez proces zużycia. Jeśli gniazdo regulatora jest uszkodzone, regulator należy naprawić, tj. wymienić gniazdo.
