산업용 가스 시스템에서 가스 압력 제어를 유지하는 데 사용되는 감압 레귤레이터에서 공급 압력 효과(SPE)를 관리하는 방법

산업용 가스 시스템에 사용되는 감압 레귤레이터의 공급 압력 효과(SPE) 관리 방법

Wouter Pronk, Swagelok 선임 현장 엔지니어

가스 실린더 소스에서 프로세스 라인을 실행하는 유체 시스템 운영자는 때때로 명백한 이유 없이 감압 레귤레이터에서 출구 압력이 증가하는 현상을 관찰할 수 있습니다. 실린더가 비면 레귤레이터의 입구 압력이 감소합니다. 많은 숙련된 기술자는 배출구 압력이 동시에 감소할 것으로 예상하지만 대신 배출구 압력이 상승합니다. 이러한 현상을 공급 압력 효과(SPE)라고 합니다.

공급 압력 효과(SPE)란 무엇입니까?

입구 종속성이라고도 하는 공급 압력 효과는 입구 또는 공급 압력의 변화로 인한 출구 압력의 변화로 정의됩니다. 이 현상에서 입구 및 출구 압력 변화는 서로 반비례합니다. 입구 압력이 감소하면 해당 출구 압력이 증가합니다. 반대로 입구 압력이 증가하면 출구 압력이 감소합니다.

레귤레이터의 SPE는 일반적으로 제조업체에서 제공합니다. SPE는 일반적으로 입구 압력 변화당 출구 압력 변화를 설명하는 비율 또는 백분율로 표시됩니다. 예를 들어 규제 기관이 1:100 또는 1% SPE, 모든 100psi에 대해 입구 압력이 떨어지면 출구 압력이 1psi 증가합니다. . 조절기의 출구 압력 변동 정도는 다음 공식으로 추정할 수 있습니다.

스프링 로드 레귤레이터의 불균형 대 균형 포핏 설계

가장 일반적인 유형의 레귤레이터 중 하나는 스프링 방식의 감압 레귤레이터입니다. 스프링은 다이어프램 또는 피스톤과 같은 감지 요소에 힘을 가하여 오리피스 위의 포핏을 제어하므로 출구 압력을 제어합니다.

불균형 포핏 설계에서 흡입구 압력은 포핏을 밀어 올려 포핏의 좌석 면적과 동일한 부분에 압력을 가합니다. 결과적으로, 입구 압력이 감소하면 포펫에 가해지는 힘이 적어지고 강한 세트 스프링이 포펫을 시트에서 약간 더 멀리 밀어서 출구 압력을 증가시킵니다. 이로 인한 출구 압력의 상승은 포펫을 원래 위치로 닫기 위해 설정된 스프링 힘의 균형을 완전히 상쇄할 만큼 충분히 강하지 않습니다. 결과는 SPE로 인한 출구 압력의 증가입니다.

레귤레이터는 힘의 균형에서 작동하기 때문에 SPE의 양은 압력이 포핏과 감지 영역에 작용하는 영역의 비율에 의해 결정될 수 있습니다. 즉, 감지 영역이 크고 포핏이 작은 레귤레이터는 SPE가 가장 낮고 감지 영역이 작고 포핏이 큰 레귤레이터는 SPE가 가장 높습니다.

불균형 포핏 디자인이 SPE에 미치는 영향을 보여주기 위해 점차적으로 입구 압력을 낮추십시오. 1160psig(80bar)의 입구 압력에서 , 출구 압력은 43.5psig(3bar)입니다. . 그러나 입구 압력이 870psig(60bar)로 감소하면 , 출구 압력이 53.7psig(3.7bar)로 점프합니다. . 입구 압력이 불균형 포핏의 전체 표면에 작용하기 때문에 입구 압력의 변화는 큰 힘의 변화를 일으켜 레귤레이터 내에서 힘의 균형에 더 큰 변화를 가져옵니다.

특히 포핏이 일반적으로 더 큰 고유량 응용 분야에서 공급 압력 효과를 줄이는 일반적인 방법은 균형 잡힌 포핏 디자인의 조절기를 사용하는 것입니다. 이 조절기 설계의 의도는 높은 입구 압력이 작용할 수 있는 영역을 최소화하는 것입니다. 이것은 포펫을 따라 수직으로 뻗어 있고 포핏의 하부 스템 주위에 O-링으로 밀봉된 오리피스를 통해 더 낮은 출구 압력이 포핏의 아래쪽 부분에 도달하도록 함으로써 달성됩니다. SPE 측면에서 볼 때, 압력이 훨씬 더 작은 영역에 작용하기 때문에 입구 압력의 변화는 힘의 변화를 더 작게 만듭니다.

SPE가 균형 잡힌 포핏 레귤레이터에 어떤 영향을 미치는지 보여주기 위해 이전에 불균형 포핏 설계로 시연한 것처럼 입구 압력을 점진적으로 줄이는 것을 상상해 보십시오. 이전과 마찬가지로 1160psig(80bar)의 입구 압력에서 , 출구 압력은 43.5psig(3bar)입니다. . 그러나 입구 압력이 870psig(60bar)로 감소하면 , 출구 압력은 46.4psig(3.2bar)까지만 증가합니다. . 실제로 725psig(50bar)의 입구 압력에서도 , 출구 압력은 46.4psig(3.2bar)에서 계속 일정하게 유지됩니다. .

균형 잡힌 포핏 레귤레이터가 있는 출구 압력에 대한 영향이 이전 레귤레이터 배열에서 어떻게 감소했는지 주목하십시오. 균형 잡힌 포핏 조절기의 또 다른 이점은 락업(하류 흐름이 0으로 감소할 때 포핏이 찰칵 닫히는 경향)을 줄이는 능력입니다. 포핏이 빠르게 닫힐 때 출구 압력이 급증할 수 있으므로 과도한 잠금은 바람직하지 않습니다. 그러나 SPE는 포펫 설계에 관계없이 가스 시스템에 사용되는 조절기에 항상 존재합니다. 포핏/밸브가 매우 천천히 닫히더라도 유동이 있거나 없는 동적 또는 정적 프로세스에서 SPE가 발생합니다. 빈 실린더를 가득 채운 후에는 설정된 출구 압력이 달라집니다. 정보에 입각한 설계 결정은 단순히 효과를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

단일 단계 대 2단계 규제

2단계 감압은 거의 모든 응용 분야에서 공급 압력 효과를 최소화하기 위한 좋은 솔루션입니다. 이 방법에는 2개의 단일 스테이지 레귤레이터를 직렬로 설치하거나 레귤레이터를 하나의 어셈블리로 결합하는 것이 포함됩니다. Swagelok ^® 와 같은 이중 단계 조절기 하나의 본체에서 2단계 압력 감소를 수행하는 KCY 시리즈 레귤레이터는 분석 기기 시스템과 같은 저유량 애플리케이션을 위한 강력한 옵션입니다. 각 레귤레이터는 입구 압력 변화를 어느 정도 제어하지만 두 레귤레이터는 함께 출구 압력을 원래 설정점에 매우 가깝게 유지합니다.

2단계 레귤레이터 설정에 대한 출구 압력의 변동성을 계산하기 위해 입구 압력 차이에 각 레귤레이터의 SPE를 곱합니다. 이는 다음 방정식으로 설명됩니다.

SPE는 입구 압력 변수와 출구 압력 변수 사이의 반비례 관계라는 점을 염두에 두십시오. 1단계 조절기는 가스 실린더가 비워지고 입구 압력이 감소함에 따라 출구 압력이 증가합니다. 이 증가는 두 번째 단계로 공급되고 두 번째 단계 조절기의 출구 쪽에서 연속적으로 감소합니다. 1단 레귤레이터는 입구의 변화가 크고 출력의 변화가 작기 때문에 2단 레귤레이터는 1단의 작은 입구 변화에만 반응하고 출구 측의 압력 감소가 최소화됩니다. 입구 압력이 1단계 조절기의 설정 압력 아래로 떨어지면 설정이 1단계 조절기 시스템으로 작동합니다.

공급 압력 효과를 입증하기 위해 아래 예는 KCY 모델 감압 레귤레이터를 사용합니다. 가스 실린더는 2500psig(172bar)에서 비웁니다. ~ 500psig(34bar) . 각 규제 기관에 1% SPE가 있다고 가정합니다. . 2000psig(137bar) 사용 시 입구 압력 강하, 첫 번째 단계 조절기는 20psig(1.3bar)를 경험합니다. 출구 압력의 증가. 이러한 증가의 결과로 2단계 조절기는 0.20psig(0.01bar)만 경험하게 됩니다. 출구 압력 감소. 출구 압력에 대한 영향이 이전 레귤레이터 배열에서 어떻게 극적으로 감소했는지 주목하십시오.

공급 압력 효과 제어와 관련하여 2단계 조절기 설정은 일반적으로 균형 잡힌 포핏이 있는 단일 감압 조절기보다 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 동일한 출구 압력에서 여러 작업을 소싱하기 위해 하나의 가스 실린더를 사용하는 애플리케이션에서는 두 가지 옵션 중 하나가 충분할 수 있습니다.

반면에 서로 다른 압력으로 여러 작업을 공급하기 위해 가스 실린더가 필요한 애플리케이션은 2단계 조절기 시스템을 만들기 위해 2개의 단일 단계 조절기를 사용해야 합니다. 이 경우 가스 실린더 근처에 1단 조절기를 설치하고 각 공정 라인 또는 사용 지점에 2단 조절기를 설치합니다. SPE를 최소화하기 위해 시스템은 종종 가스 공급원에서 2단계 조절기로 구축되고 사용 지점에서 1단계 조절기로 구축됩니다. 이 과도한 설정은 3단계 조절에 해당하며 대부분의 애플리케이션에서는 필요하지 않습니다. 직렬로 연결된 두 개의 단일 단계 레귤레이터는 더 낮은 비용으로 최소한의 SPE를 생성합니다.

1단계 및 2단계 압력 조절에 대해 자세히 알아보기:

엔지니어링 가스 분배 시스템의 이점

SPE를 관리하는 또 다른 옵션은 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계 및 구성된 모듈식 하위 시스템으로 구성된 완전히 조립 및 테스트된 가스 분배 시스템을 사용하는 것입니다. 이러한 시스템에서:

• Swagelok ^® 와 같은 소스 입구 모듈 소스 입구(SSI) 또는 소스 입구 패널은 고압 가스 소스와 분배 시스템 사이의 연결을 설정합니다. 단일 가스 실린더의 경우 어셈블리는 호스와 커넥터만큼 간단할 수 있지만 여러 실린더에는 여러 호스와 밸브가 통합된 매니폴드가 필요할 수 있습니다. 이러한 주입구는 병을 교체할 때 가스를 퍼지하거나 배출하도록 고도로 구성할 수 있어 작업자의 안전을 증진하거나 가동 시간을 최대화하기 위해 개별 라인을 배출하도록 만들 수 있습니다.
• Swagelok ^{®와 같은 가스 패널} 가스 패널(SGP)은 소스 가스의 첫 번째 감압을 완료하고 시스템의 다음 단계로 정확한 유량으로 전달되도록 합니다. 이것은 SPE를 가장 잘 제어할 수 있는 가스 분배 시스템의 일부입니다. 압력 감소는 단일 압력 조절기를 사용하는 1단계 또는 이중 압력 조절 장치 배열을 통해 2단계로 수행됩니다. 이 가스 패널은 모든 부품을 분리할 수 있고 패널을 제거할 필요가 없기 때문에 서비스가 용이합니다. 2단계 조절기와 함께 SGP를 사용하는 것은 SPE를 줄이는 매우 안정적인 수단입니다.
• Swagelok ^{®와 같은 자동 전환 시스템} 전환(SCO) 하위 시스템은 중단 없는 공급을 보장하기 위해 한 가스 소스에서 다른 가스 소스로 전환합니다. 세트 노브가 있는 두 개의 압력 조절기가 서로 연결되어 있지만 별도의 가스 공급원(하나 이상의 가스 실린더로 구성됨)에서 입력을 제어합니다. 하나의 조절기는 다른 것보다 낮은 압력으로 설정되며, 하나는 초기에 공유 배출구 연결에 가스를 공급하는 더 높은 압력으로 설정되고 더 높은 설정의 조절기의 가스 공급이 소진되면 더 낮은 압력으로 가스를 공급하도록 설정됩니다. 세트 핸들을 180° 조정하면 두 조절기의 압력 설정이 반대로 되어 시스템이 계속 작동하는 동안 빈 실린더를 교체할 수 있습니다. 잘 설계된 전환 하위 시스템을 사용하면 전환 설정점을 지정하여 실린더에 남아 있는 낭비되는 가스를 줄일 수 있습니다.
• 마지막으로 Swagelok ^® 와 같은 사용 지점 시스템 사용 시점(SPU) 어셈블리는 가스가 사용되기 전에 압력 제어의 최종 단계를 제공합니다. 이러한 시스템에는 일반적으로 조절기, 게이지 및 차단 밸브가 포함되며 애플리케이션 요구 사항을 충족하도록 압력을 조정하는 편리하고 정확한 방법을 제공합니다.

결론

레귤레이터가 가스 실린더의 출구 압력을 제어할 때 공급 압력 효과는 항상 존재하는 현상입니다. 입구 압력에 변화가 있을 때마다 출구 압력에 상응하는 변화가 있을 것입니다. 균형 잡힌 포핏 디자인의 1단계 조절기를 사용하거나 2단계 조절기를 사용하거나 Swagelok ^{® 가스 분배 프로그램. 가스 소스가 압력 요구 사항이 서로 다른 여러 작업에 서비스를 제공하는 경우 가스 소스 근처에 하나, 각 공정 라인에 하나 등 여러 개의 단일 단계 조절기가 필요할 수 있습니다.}

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