Com aplanar la corba de cabal d'un regulador de pressió en aplicacions d'alt cabal

La corba de cabal d'un regulador de pressió il·lustra el rang de pressions de sortida (eix vertical) que el regulador mantindrà enfront de diferents demandes de cabal del sistema (eix horitzontal). Idealment, la qual cosa volem és operar el regulador en la part més plana (més horitzontal) de la corba, que és on mantindrà relativament constant la pressió fins i tot amb canvis significatius en el cabal.

Desafortunadament, la corba de cabal d'un regulador de pressió experimentarà sempre una certa caiguda o inclinació. La Figura 1 representa quatre corbes de cabal, i en llegir-les d'esquerra a dreta, el seu pendent cap avall la definim com ‘droop’ o caiguda de pressió. En la part més a la dreta de cada corba podem observar que hi ha una zona on la pressió cau de forma molt abrupta. El punt en el qual la pressió comença a caure ràpidament i fins que la pressió s'aproxima gairebé a zero, defineix una zona anomenada ‘choked – flow area’ (àrea de cabal sónico). Hem d'evitar operar el regulador dins d'aquesta zona perquè no es comporta de forma eficient, generant-nos grans caigudes de pressió aigües a baix. Si les nostres condicions de servei ens porten a aquesta zona de la corba, haurem de considerar la utilització d'un altre disseny de regulador o ben un de major grandària.

No obstant això, si operem el regulador en la part funcional de la corba (abans de la zona de cabal sónico), aconseguim disminuir el droop i una corba més plana per a un ampli rang de cabals, expandint així les capacitats del regulador. Usant un regulador de moll com a punt de partida (figura 2), en aquest article explorarem les següents configuracions:

- Regulador pilotat amb regulador pilot (figura 3).

- Regulador pilotat amb regulador pilot i retroalimentació externa aigües a baix al regulador principal (figura 4).

- Regulador pilotat amb regulador pilot i retroalimentació al regulador pilot (figura 5).

Aquestes configuracions ofereixen respectivament un bon, millor i òptim rendiment quan es tracta de mantenir la pressió de sortida d'una forma consistent i per tant, ofereixen corbes de cabal progressivament més planes per a rangs de cabal més amplis.

Per a aquest article, focalitzarem la nostra atenció en una planta que disposa d'un únic punt de subministrament de nitrogen per a múltiples processos. Suposarem també que aquests processos no estan operant constantment, per la qual cosa la demanda de cabal fluctuarà al llarg del dia. Si la planta hagués d'emprar un regulador de moll per a aquesta funció, un increment de cabal provocaria una caiguda de pressió (droop) i per contra, una caiguda en la demanda, implicaria un increment o punta de pressió. Tots dos canvis de pressió requeriran freqüents ajustos manuals del regulador o ben reguladors addicionals de punt d'ús. En lloc d'això, la planta pot decidir usar un regulador pilotat que permet un control dinàmic de la pressió sense ajustos manuals, i proporcionarà una pressió de sortida més estable enfront de les variacions de la demanda de cabal.

En un regulador pilotat, el volum de gas a pressió de la càmera de pilotatge substitueix la funció del moll d'un regulador de moll (figura 6a). La càmera es presuriza lleugerament per sobre de la pressió de sortida requerida. Aquesta pressió constant ens genera una força sobre el diafragma. Si aquesta força és superior a la creada per la pressió de sortida en la part inferior, l'obturador obrirà. Quan les pressions s'igualen, la pressió de sortida crea una força en la part inferior el diafragma i l'obturador tanca (figura 6b i 6c).

La figura 1 mostra les corbes de cabal dels quatre reguladors que es poden usar en aquesta aplicació, tots amb pressió de sortida ajustada a 20bar (290psig). La primera corba representa el regulador de moll com a punt de partida de la comparació. Les corbes restants representen tres possibilitats d'ús del regulador pilotat. Com veurem, afegint alguns components externs i canvis de disseny interior al regulador pilotat, aconseguirem un ajust dinàmic de la pressió de la càmera de pilotatge per millorar el rendiment del regulador.

En aquesta configuració emprem un regulador pilotat que respon a les fluctuacions de pressió permetent que la pressió en la càmera de pilotatge es mantingui constant per a un ampli rang de cabals del sistema. Aquest comportament s'aconsegueix afegint un regulador pilot responsable de controlar la pressió de la càmera de pilotatge, així com un llaç de sortida per permetre l'alleujament dels excessos de pressió en la mateixa (figura 3). Aquest ajust permet un control dinàmic de la pressió de la càmera que ajudarà a mantenir la consigna inicial de pressió de sortida.

L'alimentació del regulador pilot es realitza des de la pròpia línia de nitrogen. Connectant la càmera de pilotatge amb la sortida a través de la línia de purga, la pressió interior es mantindrà constant en 20bar. Quan la pressió aigües a baix caigui per sota dels 20bar, la pressió de la càmera també caurà però el regulador pilot ho compensarà augmentant la pressió de nou fins als 20bar de consigna inicial. Per contra, si la pressió aigües a baix augmenta, el regulador pilotat ho compensarà tancant el seu orifici. Aquesta situació implicarà un augment de la pressió de la càmera de pilotatge, sent llavors el regulador pilot qui redueix el seu orifici i ventea l'excés de pressió de la càmera de pilotatge, cap a la línia principal aigües a baix. Aquestes accions permeten a tots dos reguladors tornar a la pressió d'ajust inicial.

La segona corba de cabal de la figura 1 il·lustra la millora en comportament del regulador pilotat més regulador pilot en comparació d'un regulador de moll. El moll ajustat d'un regulador de moll, perd força quan s'allarga empenyent l'obturador per obrir l'orifici. Aquesta situació provoca una caiguda de la pressió de sortida (droop). Amb el control dinàmic de la pressió de la càmera de pilotatge que proporciona el regulador pilot, la zona d'ús de la corba de cabal creix en comparació del regulador de moll. Depenent de l'especificitat de l'aplicació, aquesta configuració (de rendiment bo) es podrà usar en sistemes que experimentin increments de cabal sense haver de preocupar-nos de significatives caigudes de pressió. Però, podem fer-ho millor.

En la nostra segona millor configuració afegirem una línia de retroalimentació per permetre compensar al regulador pilotat les caigudes de pressió aigües a baix. Usant el mateix regulador pilot i llaç de sortida de la configuració anterior, incorporarem un tub aigües a baix que ens proporciona retroalimentació a la zona sensible del regulador pilotat (figura 4). Aquesta configuració ens aplanará la corba.

A la zona aigües a baix del nostre sistema, la pressió caurà lleugerament després que el fluid surti del regulador pilotat. Per exemple, si la pressió inicial de sortida és de 20bar, pot ser de 19bar a una petita distància del regulador. Una línia de retroalimentació, localitzada a curta distància del regulador (usualment entre 5 i 10 vegades el diàmetre del tub de sortida) dirigirà aquesta baixa pressió a la zona sensible del regulador pilotat. Aquí, el diafragma del regulador detecta la pressió de 19bar i obre una mica més l'obturador del regulador per incrementar la pressió de sortida. Com a resultat, el regulador respon dinàmicament i de forma més precisa que si usem un ajust estàtic.

Mirant la tercera corba de la figura 1, advertim que és més plana en aquesta configuració. Recordem que estem usant el mateix regulador pilotat amb modificacions a la zona sensible, ajustat a la mateixa pressió de sortida per a la segona, tercera i quarta corbes. Podem veure també, que el cabal operatiu del regulador abans d'arribar a la zona de cabal sónico, ha crescut. No obstant això, encara podem fer-ho millor.

La tercera configuració, la nostra millor opció, permet al regulador pilot fer ajustos de pressió altament precisos en la càmera de pilotatge del regulador pilotat, segons la pressió real aigües a baix. De la mateixa forma que en la configuració anterior, aquest disseny utilitza un regulador pilot, un llaç de sortida per alleujar l'excés de pressió de la càmera i una línia de retroalimentació exterior. En aquesta configuració, no obstant això, la línia de tub de retroalimentació ens porta el senyal directament al regulador pilot (figura 5). Amb els ajustos realitzats en la font de control de pressió primària - el regulador piloto - aquesta configuració manté de forma molt precisa el control de la pressió aigües a baix i ofereix una corba de cabal molt plana per a un rang molt ampli de cabals.

Considerant aquest exemple, la pressió de sortida para del regulador pilot s'ajusta inicialment a 20bar, la qual cosa vol dir que la pressió de la càmera de pilotatge del regulador pilotat és lleugerament superior. Aigües a baix del regulador pilotat, la pressió cau fins a 19bar. Aquesta menor pressió s'envia directament al regulador pilot a través de la línia exterior de retroalimentació. Com a resposta, el regulador pilot augmenta la pressió en la càmera de pilotatge del regulador pilotat, resultant la necessària correcció de la pressió de sortida. Tots dos reguladors, el pilot i el pilotat, s'ajusten dinàmicament per permetre que la pressió en el llaç de retroalimentació exterior aigües a baix es mantingui en 20bar.

Aquesta configuració crea un llaç que permet ajustos constants i automàtics per estabilitzar el sistema en la pressió de consigna desitjada per a un rendiment òptim. Els resultats són evidents en la quarta corba de cabal en la figura 1, la qual és molt plana -sense gairebé caiguda de pressió- per un extremadament ampli rang de cabals. Aquest sistema no experimentarà cabal sónico fins que els cabals aconsegueixin valors molt alts.

L'única manera d'aconseguir una corba de cabal fins i tot més plana -gairebé perfectament horitzontal- és reemplaçar el regulador pilot manual d'aquesta configuració per un regulador pilot controlat electrònicament. Un sensor electrònic connectat al regulador podria fer múltiples ajustos de pressió per segon oferint una corba de cabal extremadament plana. No obstant això, el control electrònic és sovint no desitjat a causa de la necessitat d'alimentar-ho i consideracions de seguretat. Un sistema utilitzant un regulador pilot manual amb retroalimentació directament al regulador pilot proporciona uns resultats molt similars sense afegir components electrònics, cables ni fonts d'alimentació.

Les aplicacions de cabals elevats habitualment requereixen l'ús de reguladors amb corbes de cabal molt planes, aptes per a un ampli rang de cabals. De vegades, un simple regulador pilotat aportarà els paràmetres requerits per a l'aplicació. No obstant això, pot ser necessari afegir una varietat de components al sistema per ampliar les capacitats del regulador. Els sistemes que proporcionen pressió de retroalimentació aigües a baix a un regulador pilot aigües a dalt ofereixen habitualment el millor rendiment. No es pot aconseguir una corba ideal de cabal perfectament plana per a un infinit rang de cabals, però és bé saber que hi ha maneres de millorar les capacitats d'un regulador pilotat, per aconseguir corbes molt planes per a un ampli rang de cabals.

Referències

Pel fonamental en la interpretació i lectura de les corbes de cabal, veure ‘Pressure Regulator Selection Strategy. How to Usi a Flow Corbi to Ensure Effective Regulator Specification’, Flow Control, agost 2011.

Sobre l'autor: Michael D. Adkins - Manager, Field Engineering and Pressure Regulators, Swagelok Company

Mike es va unir a Swagelok en 1994. En el seu actual rol supervisa l'equip d'enginyers de camp, enginyers dedicats a proporcionar el suport tècnic directe als clients sobre el terreny. També dirigeix la línia de producte de reguladors de pressió per Swagelok, on avalua les necessitats del mercat i desenvolupa estratègies de producte, posicionament i preu. Amb anterioritat a aquest rol, va prestar els seus serveis com a supervisor de desenvolupament de nous productes, supervisor de control de qualitat, cap de projecte i enginyer de fabricació.

Mike és llicenciat en enginyeria de tecnologia mecànica per la Universitat de Dayton i té un master en direcció i administració d'empreses per la John Carrol University.