産業用ガスシステムでガス圧力制御を維持するために使用される減圧レギュレーターで供給圧力効果 (SPE) を管理する方法

産業用ガス システムで使用される減圧レギュレーターの供給圧力効果 (SPE) を管理する方法

Wouter Pronk、シニア フィールド エンジニア、Swagelok

ガスシリンダー源からプロセスラインを動かしている流体システムのオペレーターは、明らかな理由もなく、減圧レギュレーターで出口圧力が上昇する現象を時折観察することがあります。シリンダーが空になると、レギュレーターへの入口圧力が低下します。多くの熟練した技術者は、出口圧力が同時に低下すると予想しますが、代わりに出口圧力が上昇します。この発生は、供給圧力効果 (SPE) として知られています。

供給圧力効果 (SPE) とは?

供給圧力の影響は、入口依存性とも呼ばれ、入口圧力または供給圧力の変化による出口圧力の変化として定義されます。この現象では、入口圧力と出口圧力の変化は互いに反比例します。入口圧力が低下すると、対応する出口圧力が上昇します。逆に、入口圧力が上昇すると、出口圧力は低下します。

規制当局の SPE は通常、製造元から提供されます。 SPE は通常、入口圧力の変化に対する出口圧力の変化を表す比率またはパーセンテージとして表されます。たとえば、規制当局が 1:100 を持っていると説明されている場合 または 1% SPE、100 psiごと 入口圧力が低下すると、出口圧力は 1 psi 増加します . レギュレーターの出口圧力変動の程度は、次の式で推定できます:

スプリング式レギュレーターのアンバランス vs. バランス ポペット設計

最も一般的なタイプのレギュレーターの 1 つは、スプリング式の減圧レギュレーターです。スプリングは、ダイアフラムまたはピストンのいずれかの検出要素に力を加え、オリフィス上のポペットを制御します。これにより、出口圧力が制御されます。

アンバランス ポペット設計では、入口圧力がポペットを押し上げ、シート領域に等しいポペットの部分に圧力を加えます。 その結果、入口圧力が低下すると、ポペットを押し上げる力が減少し、強力なセット スプリングがポペットをシートからわずかに遠ざけることができるようになり、出口圧力が上昇します。この結果として生じる出口圧力の上昇は、ポペットを元の位置に閉じるために設定されたスプリング力を完全に釣り合わせるほど強力ではありません。その結果、SPE により出口圧力が上昇します。

レギュレーターは力のバランスで動作するため、SPE の量は、圧力がポペットに作用する領域と検出領域の比率によって決定できます。つまり、センシング領域が大きくポペットが小さいレギュレータは SPE が最も低く、センシング領域が小さくポペットが大きいレギュレータは SPE が最も高くなります。

不均衡なポペット設計が SPE に及ぼす影響を実証するには、入口圧力を徐々に下げます。 1160 psig (80 bar) の入口圧力で 、出口圧力は 43.5 psig (3 bar) です .しかし、入口圧力が 870 psig (60 bar) に低下すると 、出口圧力が 53.7 psig (3.7 bar) に跳ね上がる .入口圧力はアンバランス ポペットの表面全体に作用するため、入口圧力が変化すると力が大きく変化し、レギュレータ内の力のバランスが大きく変化します。

供給圧力の影響を低減するための一般的な方法は、特にポペットが一般的に大きい高流量アプリケーションでは、バランスの取れたポペット設計のレギュレータを使用することです. このレギュレータ設計の意図は、高い入口圧力が作用する領域を最小限に抑えることです。これは、ポペットに沿って垂直に走り、ポペットの下部ステムの周りの O リングによって密閉されたオリフィスを通じて、下部出口圧力がポペットの下側の一部に到達できるようにすることによって達成されます。 SPE に関して言えば、入口圧力の変化は、圧力がはるかに小さな領域に作用するため、力の小さな変化になります。

SPE がバランスの取れたポペット レギュレータにどのように影響するかを示すには、アンバランス ポペット設計で以前に示したように、入口圧力を徐々に下げることを想定してください。前と同じように、1160 psig (80 bar) の入口圧力で 、出口圧力は 43.5 psig (3 bar) です .ただし、入口圧力が 870 psig (60 bar) に低下すると 、出口圧力は 46.4 psig (3.2 bar) までしか上昇しません .実際、725 psig (50 bar) の入口圧力でも 、出口圧力は 46.4 psig (3.2 bar) で安定し続けます .

バランスの取れたポペット レギュレータを使用した出口圧力への影響が、以前のレギュレータの配置からどのように減少するかに注目してください。バランス ポペット レギュレータのもう 1 つの利点は、ロックアップ (ダウンストリーム フローがゼロになるとポペットがパチンと閉まる傾向) を減らすことができることです。過度のロックアップは望ましくありません。ポペットが急速に閉じると、出口圧力が急激に上昇する可能性があるからです。それでも、ポペットの設計に関係なく、ガス システムで使用されるレギュレーターには常に SPE が存在します。ポペット/バルブが非常にゆっくりと閉じられたとしても、流れのある動的または静的なプロセスであるかどうかに関係なく、SPE が発生します。空のシリンダーを満タンのシリンダーに交換すると、設定された出口圧力が異なります。情報に基づいた設計上の決定は、影響を軽減するのに役立ちます。

一段階規制と二段階規制

2 段階の減圧は、実質的にあらゆるアプリケーションで供給圧力の影響を最小限に抑えるための優れたソリューションです。この方法では、2 つの単段レギュレーターを直列に取り付けるか、レギュレーターを 1 つのアセンブリに結合します。 Swagelok ^® などのデュアル ステージ レギュレータ 2段減圧をワンボディで行うKCYシリーズレギュレーターは、分析計装システムなどの低流量用途向けの強力なオプションです。各レギュレーターは入口圧力の変動をある程度制御しますが、2 つのレギュレーターが一緒になって出口圧力を元の設定値に非常に近づけます。

2 段階のレギュレーター設定の出口圧力の変動性を計算するには、入口圧力差に各レギュレーターの SPE を掛けます。これは次の式で表されます:

SPE は、入口圧力変数と出口圧力変数の間の反比例の関係にあることに注意してください。ガス シリンダーが空になり、入口圧力が低下すると、第 1 段階のレギュレーターの出口圧力が上昇します。この増加は第 2 段階に供給され、第 2 段階レギュレーターの出口側で引き続いて減少します。第 1 段階の調整器は大きな入口の変化を経験し、小さな出口の変化を出力するため、第 2 段階の調整器は第 1 段階からの小さな入口の変化にのみ反応し、出口側で最小限の圧力低下を示します。入口圧力が第 1 段階レギュレーターの設定圧力を下回るとすぐに、セットアップは 1 段階レギュレーター システムとして機能します。

供給圧力の効果を実証するために、以下の例では KCY モデルの減圧レギュレーターを使用しています。ガス シリンダーは 2500 psig (172 bar) から空になります 500 psig (34 bar) まで .各規制当局が 1% SPE を持っていると仮定します . 2000 psig (137 bar) の場合 入口圧力が低下すると、第 1 段階のレギュレーターは 20 psig (1.3 bar) になります。 出口圧力の上昇。その増加の結果、第 2 段階のレギュレーターは 0.20 psig (0.01 bar) しか経験しません。 出口圧力の低下。アウトレット圧力への影響が、以前のレギュレーターの配置からどのように劇的に軽減されているかに注目してください。

供給圧力の影響を制御するという点では、通常、バランスの取れたポペットを備えた単一の減圧レギュレーターよりも、2 段階のレギュレーターのセットアップの方が優れた結果を達成します。 1 つのガス シリンダーを使用して同じ出口圧力で複数の操作を行うアプリケーションでは、どちらのオプションでも十分な場合があります。

一方、異なる圧力で複数の操作を行うためにガス シリンダーを必要とするアプリケーションでは、2 段階のレギュレーター システムを作成するために 2 つの 1 段階のレギュレーターを使用する必要があります。 この場合、ガスシリンダーの近くに第 1 段階のレギュレーターを設置し、各プロセスラインまたは使用場所に第 2 段階のレギュレーターを設置します。 SPE を最小限に抑えるために、システムは多くの場合、ガス供給源に 2 段レギュレーター、使用点に 1 段レギュレーターで構築されます。この過剰なセットアップは 3 段階のレギュレーションに相当し、ほとんどのアプリケーションでは不要です。直列の 2 つの単段レギュレーターにより、最小の SPE が低コストで得られます。

1 段階および 2 段階の圧力調整の詳細:

人工ガス分配システムの利点

SPE を管理するもう 1 つのオプションは、アプリケーションのニーズを満たすように特別に設計および構成されたモジュラー サブシステムで構成される、完全に組み立てられ、テストされたガス分配システムを採用することです。これらのシステムでは:

• Swagelok ^® などのソース インレット モジュール ソース インレット (SSI)、またはソース インレット パネルは、高圧ガス ソースと分配システムの間の接続を確立します。 1 つのガス シリンダーの場合、アセンブリはホースとコネクタと同じくらい簡単ですが、複数のシリンダーの場合は、複数のホースとバルブを組み込んだマニホールドが必要になる場合があります。これらの注入口は、ボトルを交換するときにガスをパージまたは排出するように高度に構成可能であり、オペレーターの安全を促進します。また、稼働時間を最大化するために個々のラインを排出するように作成することもできます。
• Swagelok ^® などのガス パネル ガスパネル (SGP) は、ソースガスの最初の減圧を完了し、システムの次の段階に正しい流量で供給されるようにします。これは、SPE を最適に制御できるガス分配システムの一部です。減圧は、1 つの圧力調整器を使用した 1 段階、または 2 つの圧力調整器を使用した 2 段階で行われます。これらのガス パネルは、どの部分も取り外すことができ、パネルを取り外す必要がないため、保守が簡単です。 デュアル ステージ レギュレータで SGP を使用することは、SPE を削減する信頼性の高い手段です。
• Swagelok ^® などの自動切り替えシステム 切り替え (SCO) サブシステムは、ガス供給源を 1 つから別のものに切り替えて、中断のない供給を保証します。設定ノブを備えた 2 つの圧力調整器が互いに接続されていますが、別々のガス供給源 (1 つまたは複数のガス ボンベで構成される) からの入力を制御します。一方のレギュレーターは他方のレギュレーターよりも低い圧力に設定されており、一方のレギュレーターは最初に共有アウトレット接続にガスを供給する高圧に設定され、他方のレギュレーターのガス供給がなくなると低圧に設定されたガスが供給されます。設定ハンドルを 180° 調整することにより、2 つのレギュレーターの圧力設定が逆になり、システムが作動し続けている間に空のシリンダーを交換することができます。 適切に設計された切り替えサブシステムにより、切り替え設定値を指定して、シリンダー内に残る無駄なガスを減らすことができます。
• 最後に、Swagelok ^® などのポイント オブ ユース システム Point-of-Use (SPU) アセンブリは、ガスが使用される前に圧力制御の最終段階を提供します。これらのシステムには通常、レギュレーター、ゲージ、遮断バルブが含まれており、用途のニーズに合わせて圧力を調整する便利で正確な方法を提供します。

結論

レギュレーターがガスボンベの出口圧力を制御する場合、供給圧力の影響は常に存在する現象です。入口圧力が変化すると、それに応じて出口圧力も変化します。バランスの取れたポペット設計のシングル ステージ レギュレーターを使用するか、2 ステージ レギュレーターを使用するか、または Swagelok ^{® ガス分配プログラム。ガス供給源が異なる圧力要件で複数の操作に対応している場合、複数の単段レギュレータ (ガス供給源の近くに 1 つ、各プロセス ラインにもう 1 つ) が必要になる場合があります。または、これらの場合に効果的に機能するように設計された、組み立て済みのガス分配サブシステムを使用できます。}

流体システムの用途に適したレギュレーターの選択についてサポートが必要ですか?お客様固有のシステムに基づいて、運用を改善するためのソリューションを特定するお手伝いをします。ガス分配システム アドバイザーは、既存のガス分配システムを評価し、改善の機会を特定するために利用できます。また、最寄りのスウェージロック セールスおよびサービス センターの担当者がコンポーネントの選択についてアドバイスすることもできます。詳細については、以下のリンクを使用して連絡してください。