管理調壓閥中的供壓效應 (SPE)
世偉洛克高級現場工程師Wouter Pronk
流體系統操作員在使用氣瓶作為供應源鋪設工藝管線時，有時可能會觀察到一種現象 – 在 減壓型調壓閥 中，出口壓力會莫名其妙地升高。隨著氣瓶清空，至調壓閥的進口壓力會降低。許多熟練的技術員都期望出口壓力同時降低，但出口壓力卻反而升高。這種情況稱為供壓效應 (SPE)。
什么是供壓效應 (SPE)？
供壓效應也稱為進口依賴性，指因進口壓力或供壓的改變而造成的出口壓力的變化。在這種現象下，進口與出口壓力的變化互成反比。如果進口壓力降低，出口壓力會相應升高。相反，如果進口壓力升高，出口壓力則會降低。
調壓閥的供壓效應值通常由制造商提供。SPE 通常用一個比值或百分比表示，用來描述進口壓力變化造成的出口壓力的變化。例如，如果某款調壓閥說明 SPE 為 1:100 或 1%，則進口壓力每下降 100 psi，出口壓力將升高 1 psi。調壓閥的出口壓力變化程度可用以下公式估算：
?P（出口）= ?P（進口）x SPE
彈簧加載調壓閥中的不平衡與平衡提升閥芯設計
彈簧加載減壓型調壓閥 是常見的調壓閥類型之一。彈簧對傳感元件（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計中，進口壓力向上推壓提升閥芯，以作用在閥座區域上的相同壓力作用于部分提升閥芯上。因此，進口壓力的任何下降意味著向上推壓提升閥芯的力減小，使強勁的離合桿彈簧能夠推動提升閥芯距離閥座稍遠一些，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定的彈簧力，以使提升閥芯關閉回到其原始位置。結果就是，供壓效應導致出口壓力上升。
由于調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區的區域之比來確定。也就是說，感應區大、提升閥芯小的調壓閥的 SPE 較低，而感應區小、提升閥芯大的調壓閥的 SPE 較高。
為了展示不平衡提升閥芯設計對供壓效應的影響，請逐漸降低進口壓力。在進口壓力為 1160 psig (80 bar) 時，出口壓力為 43.5 psig (3 bar)。但在進口壓力降至 870 psig (60 bar) 時，出口壓力則升到 53.7 psig (3.7 bar)。由于進口壓力作用于不平衡提升閥芯的整個表面，所以進口壓力的任何變化都會導致作用力大變，從而在調壓閥內以對應力造成更大的變化。
要降低供壓效應，特別是在提升閥芯一般較大的高流量應用場合，常用的方法是使用帶平衡提升閥芯設計的調壓閥。這種調壓閥設計旨在盡可能減小高進口壓力作用到的區域。通過降低透過孔口（沿提升閥芯垂直設置，并用環繞提升閥芯下閥桿的 O 型圈密封起來）傳達提升閥芯下端部分的出口壓力，可實現這一目的。對供壓效應而言，由于壓力作用到的區域大大減小，所以進口壓力的任何變化造成的力的變化減小。
為了展示供壓效應對平衡提升閥芯調壓閥的影響，想象一下按前面針對不平衡提升閥芯所示的方法逐漸降低進口壓力的情景。正如前面一樣，在進口壓力為 1160 psig (80 bar) 時，出口壓力為 43.5 psig (3 bar)。但在進口壓力降至 870 psig (60 bar) 時，出口壓力僅升至 46.4 psig (3.2 bar)。實際上，即便在進口壓力為 725 psig (50 bar) 時，出口壓力也會穩定在 46.4 psig (3.2 bar)。
了解前述調壓閥布置如何通過平衡提升閥芯調壓閥降低了對出口壓力的影響。平衡提升閥芯調壓閥的另一個優點是它們能夠減少鎖定，避免提升閥芯迅速關閉時出口壓力飆升的可能性。
單級與兩級調壓
對于低流量應用場合（例如 分析儀表系統），還可以通過兩級減壓方法來盡可能地降低供壓效應。這種方法需要串聯安裝兩個單級調壓閥，也可以將兩個調壓閥組裝在一起。每個調壓閥在一定程度上控制進口壓力的變化，但兩個調壓閥一起將出口壓力控制在非常接近原始設定點的程度。
要計算兩級調壓閥配置的出口壓力變化，可用進口壓力差乘以各個調壓閥的 SPE。下面方程式說明了計算方法:
?P（出口）= ?P（進口）x SPE1 x SPE2
請謹記，SPE 是進口和出口壓力變量之間互為反比關系。對于單級調壓閥，出口壓力會在氣瓶清空和進口壓力降低時上升。這種上升會饋入第二級，并隨后導致第二級調壓閥的出口壓力下降。由于第一級調壓閥的進口壓力變化較大，而對出口壓力造成的變化較小，所以第二級調壓閥僅會對來自第一級的小幅進口壓力變化產生反應，因而出口壓力展現的下降變化非常小。
為了展示供壓效應，以下示例采用了 KCY 型號減壓型調壓閥。氣瓶從 2500 psig (172 bar) 清空至 500 psig (34 bar)。假設每個調壓閥的 SPE 為 1%。在進口壓力降低 2000 psig (137 bar) 的情況下，第一級調壓閥的出口壓力將增加 20 psig (1.3 bar)。但這僅使第二級調壓閥的出口壓力降低了 0.20 psig (0.01 bar)。了解前述調壓閥布置如何讓出口壓力受到的影響大大降低。
就控制供壓效應而言，兩級調壓閥配置通常比帶平衡提升閥芯的單級減壓型調壓閥的控制效果更好。對于使用一個氣瓶源來滿足出口壓力相同的多個運作環節的應用場合，兩種方式都足以達到效果。
另一方面，對于需要使用一個氣瓶滿足壓力不同的多個運作環節的應用場合，則需要使用兩個單級調壓閥來組成一個兩級調壓閥系統。在這種情況下，應將第一級調壓閥設置在氣瓶附近，而將第二級調壓閥安裝在各工藝管線處。通常，為了盡可能降低 SPE，系統會在氣源處配置兩級調壓閥，并在使用點配置單級調壓閥。這種過度配置形成了三級調壓，對于大多數應用場合不需要如此。串聯配置兩個單級調壓閥便可達到非常低的 SPE，還可降低成本。
結論
在使用調壓閥控制氣瓶的出口壓力時，供壓效應是一種無法避免的現象。只要進口壓力出現變化，出口壓力也會發生相應變化。在許多應用場合中，可以通過使用帶平衡提升閥芯設計的單級調壓閥或兩級調壓閥來盡可能地降低供壓效應。但如果氣源供應的多個運作環節對壓力有不同的要求，則需要采用多個單級調壓閥，一個安裝在氣源附近，另一個則安裝在各條工藝管線上。
是否需要幫助選擇適合您的流體系統應用場合的調壓閥？世偉洛克可根據您的獨特系統幫助您改善運營的解決方案。有關更多信息，請查看管理調壓閥供壓和調平調壓閥曲線的技術建議視頻。