Choisir le bon régulateur de gaz pour vos besoins

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L'Importance d'une Régulation Correcte de la Pression

Les processus des systèmes industriels de fluides dépendent de paramètres précis de température, de débit et de pression pour fonctionner comme prévu. De nombreux composants du système jouent un rôle dans le maintien des conditions de processus requises, et l'un des plus importants est votre régulateur de pression.

Avec une large variété de régulateurs de pression disponibles, il est essentiel de faire le bon choix afin de garder votre système de fluides ou d'analyse en fonctionnement sûr et conforme à l'intention. Un choix inapproprié peut entraîner une inefficacité, une mauvaise performance, de fréquents dépannages et des risques pour la sécurité.

Votre capacité à choisir le bon régulateur nécessite une compréhension des différents types de régulateurs, de leur fonctionnement et de la façon dont ils peuvent être appliqués pour répondre aux besoins de votre système. Avec cette connaissance, vous serez mieux préparé à faire un choix éclairé et efficace.

Pour faciliter votre sélection, nous avons élaboré un processus simplifié en cinq étapes qui peut être appliqué à la plupart des systèmes industriels de fluides et d'analyse.

Que se passe-t-il si le mauvais régulateur a été installé ?

Les régulateurs de pression sont conçus pour contrôler la pression du système tout en tenant compte des changements de paramètres du système. Si un mauvais régulateur a été installé, vous constaterez probablement soit une augmentation soit une diminution de la pression en aval.

Chacune de ces situations peut compromettre la qualité et la sécurité de votre processus. Une chute de pression non désirée peut entraîner des inefficacités ou des problèmes de processus. Une augmentation non désirée peut potentiellement endommager du matériel analytique sensible ou, dans le pire des cas, créer un risque pour le personnel de l'installation.

Étape 1 : Comprendre Vos Conditions de Processus

La sélection du bon régulateur commence par une bonne compréhension des pressions, températures et débits de votre système, ainsi que de la compatibilité des matériaux de votre régulateur choisi avec les fluides du système.

Figure 1 : Ce graphique indique les facteurs de correction pour le dimensionnement du régulateur lors de l'utilisation de différents gaz.

Composition du Fluide de Processus

Les fluides de processus liquides et gazeux ont des comportements différents qui peuvent affecter votre sélection de régulateur. Par exemple, les régulateurs de pression peuvent gérer un plus grand débit avec un gaz de faible densité qu'avec un gaz de haute densité. Des détails comme ceux-ci dictent les ajustements nécessaires au dimensionnement du régulateur (voir Figure 1).

Classes de Pression

Étant donné que la fonction principale de votre régulateur est de gérer les pressions du système, il est critique de s'assurer que votre sélection est correctement indexée pour les pressions maximales, minimales et régulièrement attendues du système opérationnel.

Les plages de contrôle de pression, montrées par leurs courbes de débit correspondantes, figurent généralement dans les spécifications des produits des régulateurs, étant donné leur importance pour une sélection correcte. Deux questions importantes à poser avant de faire votre choix incluent :

1. Comment votre pression de sortie est-elle liée à votre débit anticipé ?

2. Est-il prévu que la pression de sortie soit la même à débit minimal, normal et maximal ?

Température

La température de fonctionnement de vos systèmes de fluide peut également influencer la sélection et le fonctionnement du régulateur. Assurez-vous de comprendre vos températures de fonctionnement attendues et comment elles sont influencées par d'autres facteurs environnementaux lors de votre choix.

Certains types de fluides de système changeront fortement de température lors d'un changement de pression, et la fonction prévue de votre régulateur est de modifier la pression. Ce phénomène est appelé effet Joule-Thomson. Le gaz naturel comprimé, par exemple, peut passer d'une température de 20ºC à 65ºC lors d'une chute de pression (voir Figure 2). Si vous n'avez pas pris les dispositions appropriées au sein de votre système de fluide, un tel changement dramatique peut entraîner le gel de votre régulateur, empêchant celui-ci de faire son travail. Dans une situation comme celle-ci, vous pourriez avoir besoin d'installer des éléments de chauffage supplémentaires pour éviter les conditions de gel. Des outils sont disponibles pour calculer les effets Joule-Thomson dans votre système, et vous pouvez souvent travailler avec votre fournisseur de régulateur pour prédire les effets potentiels.

Figure 2 : L'effet Joule-Thomson peut provoquer d'importantes fluctuations de température lorsque certains gaz subissent des changements de pression.

Compatibilité des Matériaux

Il est également crucial de s'assurer que les fluides de votre système seront compatibles avec toutes les pièces de votre régulateur. L'incompatibilité peut être néfaste pour la longévité des composants et peut contribuer à des temps d'arrêt excessifs du système.

Par exemple, certains composants internes de votre régulateur peuvent être affectés négativement par les fluides du système même si l'extérieur de votre régulateur peut sembler parfaitement en état. Bien que l'on s'attende à une certaine détérioration naturelle des composants en caoutchouc et en élastomère, certains fluides de système peuvent contribuer à une détérioration accélérée et à une défaillance prématurée du régulateur (voir Figure 3).

Maintenant, après avoir évalué toutes vos conditions de système attendues, vous pouvez passer à l'Étape 2.

Figure 3 : Les dommages prématurés peuvent survenir en raison de l'incompatibilité des matériaux. Travaillez avec votre fournisseur pour vous assurer que les matériaux de votre régulateur sont compatibles avec vos fluides de système.

Étape 2 : Déterminer Vos Besoins de Contrôle

Il existe deux types principaux de régulateurs : les régulateurs de réduction de pression et les régulateurs de contre-pression. Votre choix de régulateur dépendra de ce que vous avez besoin qu'il accomplisse.

Les régulateurs de réduction de pression contrôlent la pression du processus en détectant la pression de sortie et en contrôlant la pression en aval.

Les régulateurs de contre-pression contrôlent la pression du processus en détectant la pression d'entrée et en contrôlant la pression en amont.

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Figure 4 : Les régulateurs jouent un rôle important pour aider les systèmes de fluides à maintenir la pression nécessaire vers et depuis le processus principal.

Le meilleur choix pour votre application dépend de vos exigences de processus. Si vous devez réduire la pression d'une source de haute pression avant que le fluide du système n'atteigne le processus principal, un régulateur de réduction de pression sera le choix approprié. Les régulateurs de contre-pression, en revanche, peuvent aider à contrôler et à maintenir la pression en amont en libérant la pression excessive si les conditions du système provoquent des niveaux supérieurs à ceux souhaités (voir Figure 4).

Utilisés dans le bon contexte, chaque type peut vous aider à maintenir les pressions désirées tout au long de votre système.

Comment un Régulateur Fonctionne

Une fois que vous avez déterminé quelle fonction vous avez besoin que votre régulateur accomplisse, il peut être utile de comprendre les éléments qui fonctionnent ensemble pour fournir la fonctionnalité.

Les régulateurs sont constitués des éléments suivants :

Un élément de chargement, typiquement un ressort ou un dôme, selon les besoins de l'application. L'élément de chargement applique une force d'équilibre vers le bas sur le diaphragme.

Un élément de détection, typiquement un diaphragme ou un piston. L'élément de détection permet au clapet de monter et de descendre dans le siège, contrôlant la pression d'entrée ou de sortie.

Un élément de contrôle, incluant un siège et un clapet. Le siège aide à contenir la pression et empêche le fluide de fuir vers l'autre côté du régulateur lorsque le débit est fermé. Ensemble avec le siège, le clapet complète le processus d'étanchéité pendant qu'un fluide s'écoule.

Ces éléments fonctionnent ensemble pour créer le contrôle de pression désiré. Le piston ou le diaphragme détecte la pression en aval (de sortie). L'élément de détection trouve ensuite un équilibre avec la force réglée de l'élément de chargement, qui est ajustée par l'utilisateur via une poignée ou un autre mécanisme de rotation. L'élément de détection permettra au clapet de s'ouvrir ou de se fermer à partir du siège. Ces éléments travaillent ensemble pour rester en équilibre et atteindre la pression réglée. Si l'un change, une autre force doit également changer pour rétablir l'équilibre.

Figure 5 : Un régulateur de réduction de pression crée un équilibre des forces en détectant la pression d'entrée.

Dans les régulateurs de réduction de pression, quatre forces différentes doivent être équilibrées (voir Figure 5). Celles-ci incluent la force de chargement (F1), la force du ressort d'entrée (F2), la force de pression de sortie (F3), et la force de pression d'entrée (F4). La force totale de chargement doit être égale à la combinaison de la force du ressort d'entrée, de la force de pression de sortie, et de la force de pression d'entrée.

Figure 6 : Un régulateur de contre-pression crée un équilibre des forces.

Les régulateurs de contre-pression fonctionnent de manière similaire. Ils doivent équilibrer la force du ressort (F1), la force de pression d'entrée (F2), et la force de pression de sortie (F3), comme montré dans Figure 6. Ici, la force du ressort doit être égale à la force combinée de la force de pression d'entrée et de la force de pression de sortie.

Une fois que vous avez déterminé quel type de régulateur convient à vos besoins, passez à l'Étape 3.

Étape 3 : Comprendre le Comportement du Régulateur

Il est important de tenir compte des facteurs du monde réel une fois le régulateur installé. Souvenez-vous : Un régulateur est un dispositif mécanique, sans entrées électroniques pour le contrôle ou la détection. Cela signifie que nous devons bien comprendre plusieurs comportements naturels du régulateur qui se produisent couramment dans des conditions de terrain.

Courbe de Débit

Les courbes de débit représentent la performance réelle d'un régulateur pour un ensemble donné de paramètres du système (voir Figure 7). L'axe vertical affiche la pression de sortie alors que l'axe horizontal montre le taux de débit en aval. La partie la plus plate, ou la plus horizontale, de la courbe indique où un régulateur préservera une pression constante même avec des changements significatifs de débit. La partie la plus à droite de la courbe indique où le régulateur sera complètement ouvert et incapable de préserver une pression constante. Dans cette zone, entre le moment où la pression commence à décliner rapidement et où elle approche de zéro, le clapet atteint la limite de sa course, entraînant une perte de contrôle. À ce stade, le régulateur agit moins comme un appareil de contrôle de pression et plus comme un orifice restrictif.

Figure 7 : Une courbe de débit représente la performance réelle d'un régulateur.

Verrouillage

Le verrouillage se produit au tout début de la courbe de débit et fait référence à une chute de pression au-dessus de la valeur réglée nécessaire pour arrêter complètement le régulateur et arrêter le débit. Lorsque le débit est activé - lorsqu'une vanne est ouverte, par exemple - la courbe de débit du régulateur montrera une chute de pression vers le point de réglage. Le verrouillage est une partie typique du comportement du régulateur, mais un bon design de régulateur devrait aider à minimiser ce phénomène.

Droop

Le droop est une partie du comportement commun du régulateur et commence immédiatement après le verrouillage. Le droop se produit lorsque les exigences de débit obligent le clapet du régulateur à s'ouvrir plus largement. Le ressort va s'étendre jusqu'à ce qu'il perde progressivement de sa force, entraînant une perte de pression ou un droop. Le droop est attendu à certains débits avec chaque régulateur, mais il est idéal de maintenir une courbe de débit aussi plate que possible avant que la pression ne chute. C'est pourquoi il est si important de sélectionner une configuration de régulateur qui correspond le mieux aux besoins de votre application.

Effet de Pression d'Entrée (EPE)

Figure 8 : L'effet de pression d'entrée peut provoquer un changement de pression de sortie lorsque la pression d'entrée change. Veillez à tenir compte de ce phénomène lors de la sélection de votre régulateur.

L'EPE, également appelée dépendance d'entrée, est définie comme le changement de pression de sortie dû à un changement de pression d'entrée (voir Figure 8). Sous ce phénomène contre-intuitif, les changements de pression d'entrée et de sortie sont inversement proportionnels. Si la pression d'entrée diminue, il y aura une augmentation correspondante de la pression de sortie. Inversement, si la pression d'entrée augmente, la pression de sortie diminue.

Une EPE prévue pour un régulateur est généralement fournie par le fabricant. L'EPE est souvent décrite comme un ratio ou un pourcentage décrivant le changement de pression de sortie par rapport au changement de pression d'entrée. Par exemple, si un régulateur est décrit comme ayant une EPE de 1:100 ou 1%, pour chaque chute de pression de 100 psi en entrée, la pression de sortie augmentera de 1 psi. Le degré de variation de pression de sortie pour un régulateur peut être estimé avec la formule :

Une méthode courante pour réduire l'EPE, surtout dans les applications à haut débit où les clapets sont généralement plus grands, consiste à utiliser un régulateur avec un design de clapet équilibré. L'EPE peut également être atténuée avec une configuration de système de régulateur à deux étages. Le premier régulateur réduit la pression d'entrée élevée, ce qui permet au deuxième régulateur de subir une chute de pression minimale. Cependant, cette mesure n'est pas nécessaire pour chaque application. Vous devriez être en mesure de consulter votre fournisseur de régulateur pour déterminer la meilleure configuration adaptée à vos besoins spécifiques.

Maintenant que vous comprenez ces comportements importants du régulateur, il est temps de passer à l'Étape 4.

Étape 4 : Identifier le Bon Élément de Chargement

Comme expliqué précédemment, l'élément de chargement dans votre régulateur applique une force d'équilibre vers le bas sur l'élément de détection afin d'aider à contrôler la pression. Deux types d'éléments de chargement sont les plus courants : à ressort et à dôme.

Régulateur à Ressort

Les régulateurs à ressort sont les plus courants et tendent à être les plus familiers aux opérateurs. Ici, un ressort applique une force sur l'élément de détection - soit un diaphragme soit un piston - ce qui déplace le clapet soit plus près, soit plus loin de l'orifice, contrôlant ainsi la pression en aval. Ils sont une option fiable pour de nombreuses applications à usage général.

Est contrôlé par un opérateur tournant un bouton externe, qui régule la force du ressort sur l'élément de détection.

Utilise un ressort pour appliquer une force d'équilibre vers le bas sur l'élément de détection du régulateur (généralement un diaphragme ou un piston) pour réguler la pression.

Est un choix efficace pour des applications à usage général.

Un régulateur à ressort de réduction de pression :

Contrôle la pression du processus en détectant la pression de sortie et en contrôlant la pression en aval.

Aide à réduire la pression d'une source à haute pression.

Un régulateur à ressort de contre-pression :

Contrôle la pression du processus en détectant la pression d'entrée et en contrôlant la pression en amont.

Peut aider à contrôler et à maintenir la pression en amont en libérant la pression excessive.

Régulateur à Dôme

Les régulateurs à dôme permettent un contrôle de pression plus dynamique pour fournir une pression plus constante à mesure que les exigences de débit varient. La force de chargement à l'intérieur de ce type de régulateur n'est pas contrôlée par un ressort mais par un gaz sous pression enfermé dans une chambre à dôme. Le gaz plie un diaphragme, qui éloigne le clapet de l'orifice et contrôle la pression. Ils offrent plusieurs avantages, y compris une précision accrue, une EPE plus basse et un droop réduit.

A un élément de dôme qui applique une force d'équilibre vers le bas sur l'élément de détection du régulateur (généralement un diaphragme ou un piston) pour réguler la pression.

Utilise la pression du fluide de l'intérieur du système pour fournir la pression réglée sur l'élément de détection.

Peut offrir une précision améliorée dans les applications sensibles.

Un régulateur à dôme de réduction de pression :

Contrôle la pression du processus en détectant la pression de sortie et en contrôlant la pression en aval.

Aide à réduire la pression d'une source à haute pression.

Un régulateur à dôme de contre-pression :

Contrôle la pression du processus en détectant la pression d'entrée et en contrôlant la pression en amont.

Peut aider à contrôler et à maintenir la pression en amont en libérant la pression excessive.

Les régulateurs à dôme peuvent être incorporés dans un certain nombre de configurations différentes pour maintenir une courbe de débit très plate. Ils peuvent être couplés avec des régulateurs pilotes et des lignes de rétroaction externes pour obtenir des ajustements très précis lorsque l'application l'exige.

Rappelez-vous : Tous les régulateurs présenteront un certain droop. Selon votre système, le droop peut être acceptable. Mais lorsqu'il est essentiel de maintenir la pression constante à mesure que le débit change, une configuration de régulateur plus sophistiquée peut aider.

À ce stade, vous devriez avoir une meilleure idée du type de régulateur qui répond aux besoins de votre système. Vous devriez également être mieux préparé à anticiper les effets du comportement naturel du régulateur sur les performances du système. Et vous devriez être en mesure d'identifier le mécanisme de chargement approprié pour atteindre les résultats dont vous avez besoin. Maintenant, il est important de suivre certaines bonnes pratiques établies une fois que votre régulateur est en opération, ce que nous aborderons à l'Étape 5.

Étape 5 : Suivre les Bonnes Pratiques Opérationnelles

Réussir avec votre régulateur implique non seulement une sélection appropriée, mais aussi le suivi de bonnes pratiques de maintenance tout au long de la vie du régulateur. Comme tout autre équipement industriel, votre régulateur sera sujet à une usure naturelle au fil du temps. Mais de bonnes pratiques de maintenance aideront à maximiser son utilité ainsi que la sécurité de votre système de fluides.

Le problème le plus courant résultant de mauvaises pratiques de maintenance est un phénomène connu sous le nom de creep. Le creep n'est pas un comportement naturel des régulateurs de pression et résulte d'un contaminant créant un petit espace entre le siège et le clapet du régulateur (voir Figure 9). En conséquence, les fluides du système vont involontairement s'écouler à travers le siège, entraînant des augmentations de pression non désirées en aval. Cette situation peut devenir problématique et dangereuse si vos composants en aval ne sont pas conçus pour les pressions qui s'écoulent à travers le siège.

Figure 9 : Des contaminants étrangers peuvent compromettre la performance du siège de votre régulateur, entraînant des augmentations de pression non désirées en aval qui peuvent endommager l'équipement ou provoquer des problèmes de sécurité.

Plusieurs mesures doivent être prises pour atténuer le creep et ses effets :

Filtration

Un bon filtre en amont de votre régulateur peut aider à garantir que votre régulateur ne verra passer que des fluides propres. Le filtre doit être régulièrement nettoyé ou, si nécessaire, remplacé pour assurer une filtration correcte.

Vannes de Décharge

Une vanne de décharge peut être installée en aval de votre régulateur pour aider à atténuer les effets si le creep se produit.

Pousses-parts

Conserver des kits de pièces de rechange pour votre régulateur peut vous permettre de résoudre rapidement tout problème. Si vous ne les avez pas sous la main, des temps d'arrêt importants peuvent en résulter pendant que vous attendez que les remplacements arrivent après que des problèmes se soient produits.

Ressources Supplémentaires

Suivre ces étapes peut vous aider à faire le bon choix de régulateur. Cependant, ces considérations peuvent ne pas tenir compte de tous les besoins uniques de votre système. Votre fournisseur de régulateur devrait pouvoir vous offrir une assistance supplémentaire si des questions surviennent.

Les spécialistes expérimentés de Swagelok peuvent vous fournir cette assistance, en s'appuyant sur une connaissance bien arrondie des applications et de l'ingénierie pour recommander le choix approprié pour votre système. Nous proposons plusieurs ressources que vous pouvez utiliser pour optimiser les performances de votre système de fluides, notamment :

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