管理調(diào)壓閥中的供壓效應(yīng) (SPE)
世偉洛克高級(jí)現(xiàn)場工程師Wouter Pronk
流體系統(tǒng)操作員在使用氣瓶作為供應(yīng)源鋪設(shè)工藝管線時(shí)，有時(shí)可能會(huì)觀察到一種現(xiàn)象 – 在 減壓型調(diào)壓閥 中，出口壓力會(huì)莫名其妙地升高。隨著氣瓶清空，至調(diào)壓閥的進(jìn)口壓力會(huì)降低。許多熟練的技術(shù)員都期望出口壓力同時(shí)降低，但出口壓力卻反而升高。這種情況稱為供壓效應(yīng) (SPE)。
什么是供壓效應(yīng) (SPE)？
供壓效應(yīng)也稱為進(jìn)口依賴性，指因進(jìn)口壓力或供壓的改變而造成的出口壓力的變化。在這種現(xiàn)象下，進(jìn)口與出口壓力的變化互成反比。如果進(jìn)口壓力降低，出口壓力會(huì)相應(yīng)升高。相反，如果進(jìn)口壓力升高，出口壓力則會(huì)降低。
調(diào)壓閥的供壓效應(yīng)值通常由制造商提供。SPE 通常用一個(gè)比值或百分比表示，用來描述進(jìn)口壓力變化造成的出口壓力的變化。例如，如果某款調(diào)壓閥說明 SPE 為 1:100 或 1%，則進(jìn)口壓力每下降 100 psi，出口壓力將升高 1 psi。調(diào)壓閥的出口壓力變化程度可用以下公式估算：
?P（出口）= ?P（進(jìn)口）x SPE
彈簧加載調(diào)壓閥中的不平衡與平衡提升閥芯設(shè)計(jì)
彈簧加載減壓型調(diào)壓閥 是常見的調(diào)壓閥類型之一。彈簧對(duì)傳感元件（隔膜或活塞）用力，傳感元件控制孔口上方的提升閥芯，由此控制出口壓力。
在不平衡提升閥芯設(shè)計(jì)中，進(jìn)口壓力向上推壓提升閥芯，以作用在閥座區(qū)域上的相同壓力作用于部分提升閥芯上。因此，進(jìn)口壓力的任何下降意味著向上推壓提升閥芯的力減小，使強(qiáng)勁的離合桿彈簧能夠推動(dòng)提升閥芯距離閥座稍遠(yuǎn)一些，從而使出口壓力升高。這種情況形成的出口壓力增加并不足以完全抵消設(shè)定的彈簧力，以使提升閥芯關(guān)閉回到其原始位置。結(jié)果就是，供壓效應(yīng)導(dǎo)致出口壓力上升。
由于調(diào)壓閥的作用力是平衡的，所以 SPE 大小可通過壓力作用于提升閥芯和感應(yīng)區(qū)的區(qū)域之比來確定。也就是說，感應(yīng)區(qū)大、提升閥芯小的調(diào)壓閥的 SPE 較低，而感應(yīng)區(qū)小、提升閥芯大的調(diào)壓閥的 SPE 較高。
為了展示不平衡提升閥芯設(shè)計(jì)對(duì)供壓效應(yīng)的影響，請(qǐng)逐漸降低進(jìn)口壓力。在進(jìn)口壓力為 1160 psig (80 bar) 時(shí)，出口壓力為 43.5 psig (3 bar)。但在進(jìn)口壓力降至 870 psig (60 bar) 時(shí)，出口壓力則升到 53.7 psig (3.7 bar)。由于進(jìn)口壓力作用于不平衡提升閥芯的整個(gè)表面，所以進(jìn)口壓力的任何變化都會(huì)導(dǎo)致作用力大變，從而在調(diào)壓閥內(nèi)以對(duì)應(yīng)力造成更大的變化。
要降低供壓效應(yīng)，特別是在提升閥芯一般較大的高流量應(yīng)用場合，常用的方法是使用帶平衡提升閥芯設(shè)計(jì)的調(diào)壓閥。這種調(diào)壓閥設(shè)計(jì)旨在盡可能減小高進(jìn)口壓力作用到的區(qū)域。通過降低透過孔口（沿提升閥芯垂直設(shè)置，并用環(huán)繞提升閥芯下閥桿的 O 型圈密封起來）傳達(dá)提升閥芯下端部分的出口壓力，可實(shí)現(xiàn)這一目的。對(duì)供壓效應(yīng)而言，由于壓力作用到的區(qū)域大大減小，所以進(jìn)口壓力的任何變化造成的力的變化減小。
為了展示供壓效應(yīng)對(duì)平衡提升閥芯調(diào)壓閥的影響，想象一下按前面針對(duì)不平衡提升閥芯所示的方法逐漸降低進(jìn)口壓力的情景。正如前面一樣，在進(jìn)口壓力為 1160 psig (80 bar) 時(shí)，出口壓力為 43.5 psig (3 bar)。但在進(jìn)口壓力降至 870 psig (60 bar) 時(shí)，出口壓力僅升至 46.4 psig (3.2 bar)。實(shí)際上，即便在進(jìn)口壓力為 725 psig (50 bar) 時(shí)，出口壓力也會(huì)穩(wěn)定在 46.4 psig (3.2 bar)。
了解前述調(diào)壓閥布置如何通過平衡提升閥芯調(diào)壓閥降低了對(duì)出口壓力的影響。平衡提升閥芯調(diào)壓閥的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們能夠減少鎖定，避免提升閥芯迅速關(guān)閉時(shí)出口壓力飆升的可能性。
單級(jí)與兩級(jí)調(diào)壓
對(duì)于低流量應(yīng)用場合（例如 分析儀表系統(tǒng)），還可以通過兩級(jí)減壓方法來盡可能地降低供壓效應(yīng)。這種方法需要串聯(lián)安裝兩個(gè)單級(jí)調(diào)壓閥，也可以將兩個(gè)調(diào)壓閥組裝在一起。每個(gè)調(diào)壓閥在一定程度上控制進(jìn)口壓力的變化，但兩個(gè)調(diào)壓閥一起將出口壓力控制在非常接近原始設(shè)定點(diǎn)的程度。
要計(jì)算兩級(jí)調(diào)壓閥配置的出口壓力變化，可用進(jìn)口壓力差乘以各個(gè)調(diào)壓閥的 SPE。下面方程式說明了計(jì)算方法:
?P（出口）= ?P（進(jìn)口）x SPE1 x SPE2
請(qǐng)謹(jǐn)記，SPE 是進(jìn)口和出口壓力變量之間互為反比關(guān)系。對(duì)于單級(jí)調(diào)壓閥，出口壓力會(huì)在氣瓶清空和進(jìn)口壓力降低時(shí)上升。這種上升會(huì)饋入第二級(jí)，并隨后導(dǎo)致第二級(jí)調(diào)壓閥的出口壓力下降。由于第一級(jí)調(diào)壓閥的進(jìn)口壓力變化較大，而對(duì)出口壓力造成的變化較小，所以第二級(jí)調(diào)壓閥僅會(huì)對(duì)來自第一級(jí)的小幅進(jìn)口壓力變化產(chǎn)生反應(yīng)，因而出口壓力展現(xiàn)的下降變化非常小。
為了展示供壓效應(yīng)，以下示例采用了 KCY 型號(hào)減壓型調(diào)壓閥。氣瓶從 2500 psig (172 bar) 清空至 500 psig (34 bar)。假設(shè)每個(gè)調(diào)壓閥的 SPE 為 1%。在進(jìn)口壓力降低 2000 psig (137 bar) 的情況下，第一級(jí)調(diào)壓閥的出口壓力將增加 20 psig (1.3 bar)。但這僅使第二級(jí)調(diào)壓閥的出口壓力降低了 0.20 psig (0.01 bar)。了解前述調(diào)壓閥布置如何讓出口壓力受到的影響大大降低。
就控制供壓效應(yīng)而言，兩級(jí)調(diào)壓閥配置通常比帶平衡提升閥芯的單級(jí)減壓型調(diào)壓閥的控制效果更好。對(duì)于使用一個(gè)氣瓶源來滿足出口壓力相同的多個(gè)運(yùn)作環(huán)節(jié)的應(yīng)用場合，兩種方式都足以達(dá)到效果。
另一方面，對(duì)于需要使用一個(gè)氣瓶滿足壓力不同的多個(gè)運(yùn)作環(huán)節(jié)的應(yīng)用場合，則需要使用兩個(gè)單級(jí)調(diào)壓閥來組成一個(gè)兩級(jí)調(diào)壓閥系統(tǒng)。在這種情況下，應(yīng)將第一級(jí)調(diào)壓閥設(shè)置在氣瓶附近，而將第二級(jí)調(diào)壓閥安裝在各工藝管線處。通常，為了盡可能降低 SPE，系統(tǒng)會(huì)在氣源處配置兩級(jí)調(diào)壓閥，并在使用點(diǎn)配置單級(jí)調(diào)壓閥。這種過度配置形成了三級(jí)調(diào)壓，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場合不需要如此。串聯(lián)配置兩個(gè)單級(jí)調(diào)壓閥便可達(dá)到非常低的 SPE，還可降低成本。
結(jié)論
在使用調(diào)壓閥控制氣瓶的出口壓力時(shí)，供壓效應(yīng)是一種無法避免的現(xiàn)象。只要進(jìn)口壓力出現(xiàn)變化，出口壓力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。在許多應(yīng)用場合中，可以通過使用帶平衡提升閥芯設(shè)計(jì)的單級(jí)調(diào)壓閥或兩級(jí)調(diào)壓閥來盡可能地降低供壓效應(yīng)。但如果氣源供應(yīng)的多個(gè)運(yùn)作環(huán)節(jié)對(duì)壓力有不同的要求，則需要采用多個(gè)單級(jí)調(diào)壓閥，一個(gè)安裝在氣源附近，另一個(gè)則安裝在各條工藝管線上。
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