サンプリングエンジニア向けバックプレッシャーレギュレーター設定のエキスパートガイド

バックプレッシャーレギュレーター設定：サンプリングシステムエンジニアへのヒント

Jon Kestner、プロダクトマネージャー

バックプレッシャーレギュレーターは、多くの産業施設で使用されるサンプリングシステムにおいて、上流圧力の維持と感度の高い機器の保護に重要な役割を果たします。しかし、バックプレッシャーレギュレーターを適切に活用するには、サンプリングシステムエンジニアがいくつか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：

• 上流流量制限デバイスの重要性を見落とす
• アナライザーへの過剰な流量を許容する
• 流量抵抗なしに、減圧レギュレーターとバックプレッシャーレギュレーターを直列配置する

このブログ記事では、バックプレッシャーレギュレーターを用いたサンプリングシステムの設計・構築における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。

バックプレッシャーレギュレーターのセットアップ

減圧レギュレーターとは異なり、バックプレッシャーレギュレーターは入口圧力（上流圧力）を制御し、通常ラインの末端に設置されます。一方、減圧レギュレーターは出口圧力（下流圧力）を制御し、通常ラインの始端に設置されます。両タイプとも、設定圧力確立時にスプリングに生じるロード力と、システム圧力による力のバランスを取ることで動作します。

外部圧力の増減により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より、レギュレーターのオリフィスを流れる流量が増減し、レギュレーターがバランスを再確立するまで続きます。

図1は、分析サンプリングシステムにおける典型的なバックプレッシャーレギュレーターセットアップを示しています。アナライザーで使用されない流量がある場合（図1のAを参照）、レギュレーターの役割はその流量をバイパスへ分流させることです. 源圧力が変化すると、レギュレーターは分流流量を調整し、レギュレーター入口での一定圧力、ひいてはアナライザーへの安定した流量を確保します。

バックプレッシャーレギュレーターは、入口圧力管理のために、上流側に何らかの流量制限（通常はニードルバルブ）を必要とします（図1のR1を参照）。バックプレッシャーレギュレーターとシステムの間に制限がない場合（ガスシステムでは長いチューブでも圧力降下が最小限）、レギュレーターは上流圧力を下げるために十分なガスを動かそうとして全開になります。これは効果的ではありません。しかし、制限があれば、流量増加によりその制限での圧力降下が増大し、下流圧力を下げるのに役立ちます。

サンプリングシステム設計者がよく犯すミスの一つは、流量制限を省略し、バックプレッシャーレギュレーターが直接上流圧力を制御できると考えることです。しかし制限がないと、システム流量が変化しても圧力にほとんど変化がありません。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しないのに、流量を増やそうとしてプロセス流体を浪費し続けます。その結果、レギュレーターが全開状態になる可能性があります。

アナライザー制限（図1のR2）を通じて多くの流量を許容することも設計エラーです。これにより、レギュレーターの入口圧力が設定圧力を下回る可能性があり、レギュレーターが完全に閉じてベント流量を制限してしまうことがあります。より良い制御のためには、上流流量制限（R1）を、最大アナライザー流量時でもレギュレーターを通過するバイパス流量が確保できるようサイジングすべきです。

図1のような機能的な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を調整して所望の分析応答時間に十分なバイパス流量を確保し、次にR2を微調整して所望のアナライザー流量を得ます。バイパス流量は自動的に同量低下します。必要であれば、バイパス流量がアナライザーベント流量以上になるまでR1をゆっくり開きます。これにより、源圧力が変化した際にレギュレーターが入口圧力を制御できるようになります。源圧力が大きく変動すると予想される場合、最低予想源圧力でわずかなバイパス流量が生じるようR1を調整します。

バックプレッシャーレギュレーターと流量制限R1、R2の組み合わせで圧力を制御することで、アナライザーへの流量とベントラインへの流量を制御できます。

これら3つのコンポーネントがアナライザー流量とバイパス流量を制御しているため、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デバイスは不要です。ただし、ニードルバルブのないバイパス流量計は、レギュレーターが流量を通過させ、入口圧力を制御していることを確認するのに有用です。

減圧レギュレーターとバックプレッシャーレギュレーターの直列使用

図2に示す通り、バックプレッシャーレギュレーターを減圧レギュレーターの直後に配置するのは設計エラーです。2つのレギュレーターが同じ圧力を制御することはできません。どちらかが負けます。

この損失を実証するため、2つの状況を考えます。まず、バックプレッシャーレギュレーターの設定値が、上流レギュレーターからの圧力より高い場合、上流レギュレーターからの力が不十分なため、バックプレッシャーポペットがシートから離れず、流体はバックプレッシャーレギュレーターを通過しません。このシナリオでは、バックプレッシャーレギュレーターが閉じたままのため、バイパス流量はゼロです。

2つ目の状況では、バックプレッシャーレギュレーターの設定値が低い場合です。流量が増加すると、減圧レギュレーターからの供給圧力は、上流レギュレーターのドループカーブの割合で低下します。流量が大幅に増加し、バックプレッシャーレギュレーターをそのアキュムレーション曲線に沿って押し上げ、入口圧力を上昇させます。

この上昇の結果は、2つのレギュレーターの設定によります：

• 2つの設定が近い場合、流量は、最初のレギュレーターからのドループ圧力が2つ目のレギュレーターへのアキュムレーション圧力と一致するまで上昇します。しかし、これは非常に高い流量をもたらします。
• 2つの設定が離れている場合、流量は、どちらかのレギュレーターが制御不能になるまで上昇します。一方が圧力を制御し、他方が流量制限器になります。

バイパス流量は、2つの設定値の差に依存します。レギュレーターが「休戦」を宣言するまで増加し続けます。上流圧力が変化したり、アナライザー流量が変動したりすると、2つのレギュレーターはそれぞれの設定値の間の圧力を保持しようとしますが、不確実な結果になります。これは図3で示されています。

これは、2つのレギュレーターが直列で機能できないことを意味しません。成功させる唯一の方法は、それらの間に流量制限器を設けることです。図4はこのシナリオを示し、正しい設定下では両レギュレーターが意図通りに動作し、2つの制限器の両端で圧力が一定であることを示しています。この圧力の一貫性により、流量が安定し、アナライザーが源圧力とベント圧力の変動から保護されます。

適切に機能するシステム

バックプレッシャーレギュレーターの適切な機能を保証するには、サンプリングシステムを慎重に設計し、レギュレーターが圧力制御の役割を果たせるようにする必要があります。圧力が高すぎても低すぎても、システムに損傷や遅延をもたらす可能性があります。

サンプリングシステムでレギュレーターを設定する際に疑問があれば、私たちがお手伝いします。Swagelokフィールドエンジニアが施設を訪問し、サンプリングシステムを評価、設計助言、トラブルシューティングを行います。また、プロセスアナライザーサンプリングシステム（PASS）トレーニングや、サンプリングシステム問題解決とメンテナンス（SSM）トレーニングコースで、サンプリングシステム設計と使用について学ぶこともできます。