การจัดการผลกระทบของแรงดันอุปทาน (SPE) ในตัวควบคุม

ผู้ควบคุมระบบของไหลที่ดำเนินการสายการผลิตจากแหล่งถังแก๊สอาจสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่แรงดันทางออกเพิ่มขึ้นในตัวควบคุมลดแรงดันโดยไม่มีสาเหตุที่ชัดเจนเป็นครั้งคราว เมื่อถังแก๊สว่างเปล่า แรงดันทางเข้าตัวควบคุมจะลดลง ช่างเทคนิคที่มีทักษะจำนวนมากคาดว่าแรงดันทางออกจะลดลงพร้อมกัน แต่กลับกัน แรงดันทางออกกลับเพิ่มขึ้น เหตุการณ์นี้เรียกว่าผลกระทบของแรงดันจ่าย (SPE)

ผลกระทบของแรงดันอุปทาน (SPE) คืออะไร
ผลกระทบของแรงดันที่จ่าย หรือเรียกอีกอย่างว่าการพึ่งพาทางเข้า หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางออกอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้าหรือแรงดันที่จ่าย ภายใต้ปรากฏการณ์นี้ การเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้าและแรงดันทางออกจะแปรผกผันกัน หากแรงดันทางเข้าลดลง แรงดันทางออกจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ในทางกลับกัน หากแรงดันทางเข้าเพิ่มขึ้น แรงดันทางออกก็จะลดลงด้วย

โดยทั่วไปแล้วผู้ผลิตจะเป็นผู้กำหนดผลของแรงดันจ่ายของตัวควบคุม โดยปกติแล้ว SPE จะแสดงเป็นอัตราส่วนหรือเปอร์เซ็นต์ที่อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางออกต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้า ตัวอย่างเช่น หากตัวควบคุมมี SPE 1:100 หรือ 1% แรงดันทางออกจะเพิ่มขึ้น 1 psi สำหรับทุก ๆ 100 psi ที่แรงดันทางเข้าลดลง ระดับของการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางออกสำหรับตัวควบคุมสามารถประมาณได้ด้วยสูตรต่อไปนี้

∆P (outlet) = ∆P (inlet) x SPE


การออกแบบป๊อปเป็ตแบบไม่สมดุลเทียบกับแบบสมดุลในตัวควบคุมแบบสปริง

ตัวควบคุมแรงดันแบบสปริงเป็นตัวควบคุมแรงดันที่ใช้สปริงเป็นตัวรับแรง โดยสปริงจะทำหน้าที่ควบคุมแรงดันที่ปลายกระบอก ซึ่งอาจเป็นไดอะแฟรมหรือลูกสูบก็ได้

ในการออกแบบวาล์วที่ไม่สมดุล แรงดันทางเข้าจะดันวาล์วขึ้นและสร้างแรงดันไปที่ส่วนหนึ่งของวาล์วซึ่งเท่ากับพื้นที่ที่นั่ง เป็นผลให้แรงดันทางเข้าที่ลดลงหมายความว่าแรงที่ดันวาล์วขึ้นน้อยลง ทำให้สปริงที่ตั้งค่าไว้แข็งแรงดันวาล์วให้ห่างจากที่นั่งเล็กน้อย จึงทำให้แรงดันทางออกเพิ่มขึ้น แรงดันทางออกที่เพิ่มขึ้นนี้จะไม่เพียงพอที่จะถ่วงดุลกับแรงสปริงที่ตั้งค่าไว้เพื่อปิดวาล์วให้กลับไปที่ตำแหน่งเดิมได้อย่างเต็มที่ ผลลัพธ์ที่ได้คือแรงดันทางออกที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของแรงดันที่จ่าย

เนื่องจากตัวควบคุมทำงานโดยอาศัยความสมดุลของแรง ปริมาณ SPE จึงสามารถกำหนดได้จากอัตราส่วนของพื้นที่ที่แรงดันกระทำต่อปุ่มควบคุมและพื้นที่ตรวจจับ กล่าวคือ ตัวควบคุมที่มีพื้นที่ตรวจจับขนาดใหญ่และปุ่มควบคุมขนาดเล็กจะมี SPE ต่ำที่สุด ในขณะที่ตัวควบคุมที่มีพื้นที่ตรวจจับขนาดเล็กและปุ่มควบคุมขนาดใหญ่จะมี SPE สูงที่สุด

เพื่อสาธิตผลกระทบของการออกแบบวาล์วที่ไม่สมดุลต่อผลของแรงดันจ่าย ให้ลดแรงดันทางเข้าลงทีละน้อย เมื่อแรงดันทางเข้าอยู่ที่ 1,160 psig (80 บาร์) แรงดันทางออกจะอยู่ที่ 43.5 psig (3 บาร์) แต่เมื่อแรงดันทางเข้าลดลงเหลือ 870 psig (60 บาร์) แรงดันทางออกจะกระโดดไปที่ 53.7 psig (3.7 บาร์) เนื่องจากแรงดันทางเข้ามีผลต่อพื้นผิวทั้งหมดของวาล์วที่ไม่สมดุล การเปลี่ยนแปลงแรงดันทางเข้าใดๆ ก็ตามจะส่งผลให้แรงเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ส่งผลให้สมดุลของแรงภายในตัวควบคุมเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

วิธีทั่วไปในการลดผลกระทบของแรงดันจ่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในแอปพลิเคชันที่มีอัตราการไหลสูงซึ่งก้านมักจะมีขนาดใหญ่กว่า คือ การใช้ตัวควบคุมที่มีการออกแบบก้านแบบสมดุล จุดประสงค์ของการออกแบบตัวควบคุมนี้คือเพื่อลดพื้นที่ที่แรงดันทางเข้าสูงสามารถกระทำได้ ซึ่งทำได้โดยให้แรงดันทางออกที่ต่ำกว่าเข้าถึงส่วนด้านล่างของก้านผ่านรูที่วิ่งในแนวตั้งตามก้านและปิดด้วยโอริงรอบก้านล่างของก้าน ในแง่ของผลกระทบของแรงดันจ่าย การเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้าใดๆ จะส่งผลให้แรงเปลี่ยนแปลงน้อยลง เนื่องจากแรงดันกระทำในพื้นที่ที่เล็กกว่ามาก

เพื่อแสดงให้เห็นว่าผลกระทบของแรงดันจ่ายส่งผลต่อตัวควบคุมวาล์วที่สมดุลอย่างไร ให้ลองจินตนาการว่าแรงดันขาเข้าค่อยๆ ลดลงตามที่สาธิตไว้ก่อนหน้านี้ด้วยการออกแบบวาล์วที่ไม่สมดุล เช่นเดียวกับก่อนหน้านี้ เมื่อแรงดันขาเข้าอยู่ที่ 1,160 psig (80 บาร์) แรงดันทางออกจะอยู่ที่ 43.5 psig (3 บาร์) อย่างไรก็ตาม เมื่อแรงดันขาเข้าลดลงเหลือ 870 psig (60 บาร์) แรงดันทางออกจะเพิ่มขึ้นเป็น 46.4 psig (3.2 บาร์) เท่านั้น ในความเป็นจริง แม้จะมีแรงดันขาเข้าอยู่ที่ 725 psig (50 บาร์) แรงดันทางออกก็ยังคงอยู่ที่ 46.4 psig (3.2 บาร์)

สังเกตว่าผลกระทบต่อแรงดันทางออกเมื่อใช้ตัวควบคุมวาล์วแบบสมดุลจะลดน้อยลงเมื่อเทียบกับตัวควบคุมแบบเดิม ประโยชน์เพิ่มเติมของตัวควบคุมวาล์วแบบสมดุลคือความสามารถในการลดการล็อก ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงการเพิ่มขึ้นของแรงดันทางออกที่อาจเกิดขึ้นเมื่อวาล์วปิดอย่างรวดเร็ว

การควบคุมแบบขั้นตอนเดียวเทียบกับแบบสองขั้นตอน

สำหรับการใช้งานที่มีอัตราการไหลต่ำ เช่น ระบบเครื่องมือวิเคราะห์ วิธีทางเลือกในการลดผลกระทบของแรงดันที่จ่ายคือการใช้การลดแรงดันแบบสองขั้นตอน วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการติดตั้งตัวควบคุมแรงดันแบบขั้นตอนเดียวสองตัวในชุดหรือรวมตัวควบคุมแรงดันทั้งสองเข้าด้วยกันเป็นชุดเดียว ตัวควบคุมแรงดันแต่ละตัวจะควบคุมการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้าในระดับหนึ่ง แต่เมื่อทำงานร่วมกัน ตัวควบคุมแรงดันทั้งสองตัวจะรักษาแรงดันทางออกให้ใกล้เคียงกับจุดตั้งค่าเดิมมาก

ในการคำนวณความแปรปรวนของแรงดันทางออกสำหรับการตั้งค่าตัวควบคุมสองขั้นตอน ความแตกต่างของแรงดันทางเข้าจะถูกคูณด้วย SPE ของตัวควบคุมแต่ละตัว ซึ่งแสดงไว้ในสมการต่อไปนี้

∆P (outlet) = ∆P (inlet) x SPE1 x SPE2

โปรดทราบว่า SPE เป็นความสัมพันธ์ผกผันระหว่างตัวแปรของแรงดันทางเข้าและทางออก ตัวควบคุมขั้นที่หนึ่งจะพบกับแรงดันทางออกที่เพิ่มขึ้นเมื่อถังแก๊สว่างเปล่าและแรงดันทางเข้าลดลง การเพิ่มนี้จะถูกป้อนไปยังขั้นที่สองและส่งผลให้แรงดันทางออกของตัวควบคุมขั้นที่สองลดลงตามลำดับ เนื่องจากตัวควบคุมขั้นที่หนึ่งประสบกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้าที่มากและส่งออกแรงดันทางออกที่เล็กกว่า ตัวควบคุมขั้นที่สองจึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้าที่เล็กจากขั้นตอนแรกเท่านั้นและแสดงการลดลงของแรงดันที่น้อยที่สุดที่ด้านทางออก

ตัวอย่างด้านล่างใช้ตัวควบคุมลดแรงดันรุ่น KCY เพื่อสาธิตผลกระทบของแรงดันจ่าย ถังแก๊สจะปล่อยแรงดันจาก 2,500 psig (172 บาร์) ถึง 500 psig (34 บาร์) สมมติว่าตัวควบคุมแต่ละตัวมี SPE 1% เมื่อแรงดันทางเข้าลดลง 2,000 psig (137 บาร์) ตัวควบคุมขั้นที่หนึ่งจะมีแรงดันทางออกเพิ่มขึ้น 20 psig (1.3 บาร์) จากผลของการเพิ่มขึ้นดังกล่าว ตัวควบคุมขั้นที่สองจะมีแรงดันทางออกลดลงเพียง 0.20 psig (0.01 บาร์) สังเกตว่าผลกระทบต่อแรงดันทางออกลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับตัวควบคุมแบบเดิม

ในแง่ของการควบคุมผลของแรงดันจ่าย การติดตั้งตัวควบคุมสองขั้นตอนมักจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าตัวควบคุมลดแรงดันตัวเดียวที่มีวาล์วที่สมดุล ในการใช้งานที่ใช้ถังแก๊สหนึ่งถังเพื่อจ่ายการทำงานหลายอย่างภายใต้แรงดันทางออกเดียวกัน ตัวเลือกใดตัวเลือกหนึ่งอาจเพียงพอ

ในทางกลับกัน การใช้งานที่ต้องใช้ถังแก๊สเพื่อจ่ายก๊าซหลาย ๆ การทำงานด้วยแรงดันที่ต่างกัน จะต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันแบบขั้นตอนเดียวสองตัวเพื่อสร้างระบบควบคุมแรงดันแบบสองขั้นตอน หากเป็นกรณีนี้ ให้ติดตั้งตัวควบคุมแรงดันขั้นแรกใกล้กับถังแก๊สและตัวควบคุมแรงดันขั้นที่สองบนแต่ละสายกระบวนการ โดยทั่วไป ระบบจะสร้างขึ้นโดยมีตัวควบคุมแรงดันสองขั้นตอนที่แหล่งจ่ายก๊าซและตัวควบคุมแรงดันเดียวที่จุดใช้งานเพื่อลด SPE การตั้งค่าที่มากเกินไปนี้เท่ากับการควบคุมแรงดันสามขั้นตอน ซึ่งไม่จำเป็นสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ตัวควบคุมแรงดันเดียวสองตัวที่ต่ออนุกรมกันจะให้ SPE ขั้นต่ำในต้นทุนที่ต่ำกว่า

บทสรุป

เมื่อตัวควบคุมควบคุมแรงดันทางออกของถังแก๊ส ผลของแรงดันที่จ่ายจะเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นอยู่เสมอ เมื่อใดก็ตามที่มีการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทางเข้า แรงดันทางออกก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย คุณสามารถลดผลของแรงดันที่จ่ายได้สำหรับการใช้งานหลายๆ ประเภทโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันแบบขั้นตอนเดียวที่มีการออกแบบก้านวาล์วที่สมดุล หรือโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันแบบสองขั้นตอน แต่ถ้าแหล่งก๊าซของคุณมีการทำงานหลายอย่างที่มีความต้องการแรงดันต่างกัน คุณอาจต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันแบบขั้นตอนเดียวหลายตัว หนึ่งตัวอยู่ใกล้กับแหล่งก๊าซ และอีกตัวหนึ่งในแต่ละสายการผลิต

ต้องการความช่วยเหลือในการเลือกตัวควบคุมที่เหมาะสมกับการใช้งานระบบของไหลของคุณหรือไม่ สเวจล็อคสามารถช่วยคุณระบุโซลูชันเพื่อปรับปรุงการทำงานตามระบบเฉพาะของคุณได้ หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติม โปรดดูคลังวิดีโอเคล็ดลับทางเทคนิคของเราเกี่ยวกับการจัดการแหล่งจ่ายของตัวควบคุมและการปรับเส้นโค้งของตัวควบคุมให้แบนราบ

สำรวจวิดีโอเคล็ดลับทางเทคโนโลยีเกี่ยวกับหน่วยงานกำกับดูแล