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管理调压阀中的供压效应 (SPE)

供压效应

管理调压阀中的供压效应 (SPE)

十月14,2019 | Jon Kestner,产品经理

流体系统操作员在使用气瓶作为供应源铺设工艺管线时,有时可能会观察到一种现象 – 在 减压型调压阀 中,出口压力会莫名其妙地升高。随着气瓶清空,至调压阀的进口压力会降低。许多熟练的技术员都期望出口压力同时降低,但出口压力却反而升高。这种情况称为供压效应 (SPE)。  

什么是供压效应 (SPE)?

供压效应也称为进口依赖性,指因进口压力或供压的改变而造成的出口压力的变化。在这种现象下,进口与出口压力的变化互成反比。如果进口压力降低,出口压力会相应升高。相反,如果进口压力升高,出口压力则会降低。

调压阀的供压效应值通常由制造商提供。SPE 通常用一个比值或百分比表示,用来描述进口压力变化造成的出口压力的变化。例如,如果某款调压阀说明 SPE 为 1:100 或 1%,则进口压力每下降 100 psi,出口压力将升高 1 psi。调压阀的出口压力变化程度可用以下公式估算:

∆P(出口)= ∆P(进口)x SPE

弹簧加载调压阀中的不平衡与平衡提升阀芯设计

弹簧加载减压型调压阀 是常见的调压阀类型之一。弹簧对传感元件(隔膜或活塞)用力,传感元件控制孔口上方的提升阀芯,由此控制出口压力。

在不平衡提升阀芯设计中,进口压力向上推压提升阀芯,以作用在阀座区域上的相同压力作用于部分提升阀芯上。因此,进口压力的任何下降意味着向上推压提升阀芯的力减小,使强劲的离合杆弹簧能够推动提升阀芯距离阀座稍远一些,从而使出口压力升高。这种情况形成的出口压力增加并不足以完全抵消设定的弹簧力,以使提升阀芯关闭回到其原始位置。结果就是,供压效应导致出口压力上升。

由于调压阀的作用力是平衡的,所以 SPE 大小可通过压力作用于提升阀芯和感应区的区域之比来确定。也就是说,感应区大、提升阀芯小的调压阀的 SPE 最低,而感应区小、提升阀芯大的调压阀的 SPE 最高。

为了展示不平衡提升阀芯设计对供压效应的影响,请逐渐降低进口压力。在进口压力为 1160 psig (80 bar) 时,出口压力为 43.5 psig (3 bar)。但在进口压力降至 870 psig (60 bar) 时,出口压力则升到 53.7 psig (3.7 bar)。由于进口压力作用于不平衡提升阀芯的整个表面,所以进口压力的任何变化都会导致作用力大变,从而在调压阀内以对应力造成更大的变化。

要降低供压效应,特别是在提升阀芯一般较大的高流量应用场合,常用的方法是使用带平衡提升阀芯设计的调压阀。这种调压阀设计旨在尽可能减小高进口压力作用到的区域。通过降低透过孔口(沿提升阀芯垂直设置,并用环绕提升阀芯下阀杆的 O 型圈密封起来)传达提升阀芯下端部分的出口压力,可实现这一目的。对供压效应而言,由于压力作用到的区域大大减小,所以进口压力的任何变化造成的力的变化减小。

为了展示供压效应对平衡提升阀芯调压阀的影响,想象一下按前面针对不平衡提升阀芯所示的方法逐渐降低进口压力的情景。正如前面一样,在进口压力为 1160 psig (80 bar) 时,出口压力为 43.5 psig (3 bar)。但在进口压力降至 870 psig (60 bar) 时,出口压力仅升至 46.4 psig (3.2 bar)。实际上,即便在进口压力为 725 psig (50 bar) 时,出口压力也会稳定在 46.4 psig (3.2 bar)。

了解前述调压阀布置如何通过平衡提升阀芯调压阀降低了对出口压力的影响。平衡提升阀芯调压阀的另一个优点是它们能够减少锁定,避免提升阀芯迅速关闭时出口压力飙升的可能性。 

单级与两级调压

对于低流量应用场合(例如 分析仪表系统),还可以通过两级减压方法来最大限度降低供压效应。这种方法需要串联安装两个单级调压阀,也可以将两个调压阀组装在一起。每个调压阀在一定程度上控制进口压力的变化,但两个调压阀一起将出口压力控制在非常接近原始设定点的程度。

要计算两级调压阀配置的出口压力变化,可用进口压力差乘以各个调压阀的 SPE。下面方程式说明了计算方法:

∆P(出口)= ∆P(进口)x SPE1 x SPE2

请谨记,SPE 是进口和出口压力变量之间互为反比关系。对于单级调压阀,出口压力会在气瓶清空和进口压力降低时上升。这种上升会馈入第二级,并随后导致第二级调压阀的出口压力下降。由于第一级调压阀的进口压力变化较大,而对出口压力造成的变化较小,所以第二级调压阀仅会对来自第一级的小幅进口压力变化产生反应,因而出口压力展现的下降变化极小。

为了展示供压效应,以下示例采用了 KCY 型号减压型调压阀。气瓶从 2500 psig (172 bar) 清空至 500 psig (34 bar)。假设每个调压阀的 SPE 为 1%。在进口压力降低 2000 psig (137 bar) 的情况下,第一级调压阀的出口压力将增加 20 psig (1.3 bar)。但这仅使第二级调压阀的出口压力降低了 0.20 psig (0.01 bar)。了解前述调压阀布置如何让出口压力受到的影响大大降低。

就控制供压效应而言,两级调压阀配置通常比带平衡提升阀芯的单级减压型调压阀的控制效果更好。对于使用一个气瓶源来满足出口压力相同的多个运作环节的应用场合,两种方式都足以达到效果。

另一方面,对于需要使用一个气瓶满足压力不同的多个运作环节的应用场合,则需要使用两个单级调压阀来组成一个两级调压阀系统。在这种情况下,应将第一级调压阀设置在气瓶附近,而将第二级调压阀安装在各工艺管线处。通常,为了尽可能降低 SPE,系统会在气源处配置两级调压阀,并在使用点配置单级调压阀。这种过度配置形成了三级调压,对于大多数应用场合不需要如此。串联配置两个单级调压阀便可达到极低的 SPE,还可降低成本。

结论

在使用调压阀控制气瓶的出口压力时,供压效应是一种无法避免的现象。只要进口压力出现变化,出口压力也会发生相应变化。在许多应用场合中,可以通过使用带平衡提升阀芯设计的单级调压阀或两级调压阀来最大限度地降低供压效应。但如果气源供应的多个运作环节对压力有不同的要求,则需要采用多个单级调压阀,一个安装在气源附近,另一个则安装在各条工艺管线上。

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