背圧レギュレータのセットアップ:サンプリング システム エンジニア向けのヒント

背圧レギュレーターのセットアップ:サンプリング システム エンジニア向けのヒント

Jon Kestner、プロダクト マネージャー

背圧レギュレータは、上流の圧力を維持し、多くの産業施設で使用されるサンプリング システムで敏感な機器を保護する上で重要な役割を果たします。ただし、背圧レギュレータを適切に使用するために、サンプリング システムのエンジニアは、サンプリング システムの一般的な設計ミスに注意する必要があります。これらには以下が含まれます:

• 上流の流れを制限する装置の重要性を見落としている
• アナライザーを通過するフローが多すぎる
• 減圧レギュレーターを背圧レギュレーターと直列に配置し、2 つのデバイス間に流れ抵抗がない

このブログ投稿では、背圧レギュレータを使用したサンプリング システムの設計と構築のベスト プラクティスと、これらの一般的な設計ミスを回避する方法について説明します。

背圧レギュレーターのセットアップ

背圧レギュレータは、減圧レギュレータとは異なり、入口圧力 (上流圧力) を制御するもので、通常はラインの末端に設置されます。一方、減圧レギュレータは出口圧力（下流圧力）を制御するもので、通常はラインの最初に設置されます。両方のタイプのレギュレーターは、システム圧力から生じる力と、設定圧力を確立するときに作成されるスプリングの負荷力とのバランスを取るように機能します。

外圧の増減によってこのバランスが崩れると、レギュレーターのバルブまたはポペットがシートに近づいたり離れたりします。バルブの動きの性質に応じて、これにより、レギュレーターがバランスを再確立するまで、流れがレギュレーターのオリフィスをより簡単に通過したり、より簡単に通過したりできなくなります。

図 1 は、分析サンプリング システムの一般的な背圧レギュレータのセットアップを示しています。分析装置によって使用されていない流れがある場合 (図 1 の A を参照)、レギュレーターの仕事は、その流れをバイパスに迂回させることです。ソースの圧力が変化すると、レギュレーターは分流される流量も変更して、レギュレーターの入口で一定の圧力が維持されるようにし、一貫した流量が分析装置に到達するようにします。

背圧レギュレーターは、入口圧力を管理するために、上流にいくらかの流量制限 (通常はニードル バルブ) を必要とします (図 1 の R1 を参照)。背圧レギュレータとシステムの間に制限がない場合 (長いチューブでもガス システム内の圧力降下は最小限に抑えられる可能性があります)、背圧レギュレータは、十分なガスを移動させて上流の圧力を下げるために大きく開きます。プレッシャー。これでは効果がありません。ただし、制限があると、流量が増加すると、その制限を超える圧力損失が増加し、下流の圧力が低下します。

サンプリング システムの設計者がよく犯す間違いの 1 つは、背圧レギュレーターが上流の圧力を直接制御できると考えて、フロー リストリクターを省略することです。しかし、リストリクターがなければ、システムの流れが変化しても、圧力はほとんどまたはまったく変化しません。レギュレーターは、制御しようとしている入口圧力が変化を示さないため、流量を増加させようとしてプロセス流体を浪費し続けます。これにより、レギュレーターが大きく開く可能性があります。

アナライザ リストリクタ (図 1 の R2 を参照) を通過する大量の流れを可能にすることは、レギュレータの入口圧力が設定圧力を下回る可能性があるため、もう 1 つの設計エラーです。これにより、レギュレーターが完全に閉じて、ベントの流れが制限される可能性があります。制御を向上させるために、上流のフローリストリクタ (R1) は、分析装置の最大流量でもいくらかの流れがレギュレータを通過できるようにサイズ設定する必要があります。

図 1 に示すような機能システムをセットアップするには、システム設計者はまず R2 を閉じ、R1 を調整して目的の分析応答時間のバイパス フローを十分に許可し、次に目的のアナライザー フローに合わせて R2 を微調整する必要があります。バイパス フローは、同じ量だけ自動的に低下するはずです。必要に応じて、バイパス フローが分析装置のベント フローと少なくとも同じ速度になるまで、R1 をゆっくりと開きます。これにより、元の圧力が変化したときにレギュレータが入口圧力を制御できるようになります。元圧が大きく変化することが予想される場合は、R1 を調整して、予想される最低元圧で少量のバイパス フローを生成します。

流量制限器 R1 および R2 と組み合わせた背圧レギュレーターによって圧力を制御することで、分析装置およびベントラインへの流れを制御できます。

これら 3 つのコンポーネントが分析装置への流れとバイパスの流れを制御するため、バイパス ベント ラインにニードル バルブやその他の制限装置は必要ありません。ただし、ニードル バルブのないバイパス流量計は、レギュレーターがある程度の流れを通過させ、入口圧力を制御していることを確認するのに役立ちます。

減圧レギュレーターと背圧レギュレーターを直列に使用

図 2 に示すように、減圧レギュレーターの直後に背圧レギュレーターを配置すると、別の設計エラーが発生します。 2 つのレギュレーターは同じ圧力を制御できないため、そのうちの 1 つが失われる必要があります。

この損失を示すために、2 つの状況を考えてみましょう。まず、背圧レギュレーターの設定値が上流のレギュレーターから流入する圧力よりも高い場合、シートから背圧ポペットを持ち上げてフローを通過させるのに十分な力がないため、背圧レギュレーターは閉じたままになります。背圧レギュレーター。このシナリオでは、背圧レギュレーターが閉じたままになるため、バイパス フローはありません。

2 番目の状況では、背圧レギュレーターの設定値が低くなります。流量が増加するため、減圧レギュレーターからの供給圧力は、上流のレギュレーターの垂下曲線の割合で減少します。流量が大幅に増加し、背圧レギュレーターの蓄積曲線が押し上げられ、入口圧力が上昇します。

この増加の結果は、2 つのレギュレーターの設定によって異なります:

• 2 つの設定が近い場合、最初のレギュレータからのドループ圧力が 2 番目のレギュレータへの蓄積圧力と一致するまで流量が増加します。しかし、これは非常に高い流量になります。
• 2 つの設定がさらに離れている場合、そのレギュレーターが制御できなくなるまで流量が増加します。 1 つのレギュレーターが圧力を制御し、もう 1 つのレギュレーターがフロー リストリクターになります。

バイパス流量は、2 つの設定値の差によって異なります。規制当局が「停戦を宣言」するまで、それは増加します。上流の圧力が変化したり、分析装置への流量が変化したりすると、2 つのレギュレーターは設定値の間の中間の圧力を維持しようとしますが、結果は不確かです。これを図 3 に示します。

これは、2 つのレギュレーターが連続して機能しないという意味ではありませんが、これを正常に行う唯一の方法は、それらの間にフロー リストリクターを配置することです。図 4 は、このシナリオを示しています。このシナリオでは、正しい設定の下で、両方のレギュレーターが正常に動作しており、2 つのリストリクターの両端で圧力が一定になっています。この圧力の一貫性により、流れが安定し、分析装置がソースとベントの圧力の変動から保護されます。

適切に機能するシステム

背圧調整器が適切に機能することを保証するには、調整器が圧力を制御する役割を果たしていることを確認するために、サンプリング システムを慎重に設計する必要があります。圧力が高すぎたり低すぎたりすると、システムに損傷や遅延が発生する可能性があります。

サンプリング システムにレギュレーターを設定する際に質問がある場合は、当社がお手伝いします。スウェージロックのフィールド エンジニアがお客様の施設を訪問して、サンプリング システムの評価、設計に関するアドバイス、問題のトラブルシューティングを行うことができます。あるいは、プロセス アナライザー サンプリング システム (PASS) またはサンプリング システムの問題解決と保守 (SSM) トレーニング コースを通じて、サンプリング システムの設計と使用法についてすべて学ぶことができます。