Reguladores de aire para aplicaciones de válvulas de encendido/apagado

1 de noviembre de 2020 | Por Jeff Welch

Los reguladores Airset son dispositivos aparentemente simples, pero se debe tener cuidado para garantizar que se especifiquen los dispositivos correctos, particularmente en sistemas instrumentados de seguridad.

Las plantas químicas y otras instalaciones industriales pesadas suelen contener muchas válvulas, actuadores e instrumentos controlados neumáticamente. Los dispositivos Airset se utilizan comúnmente para regular el suministro de presión de aire a estos componentes. Un airset es un tipo específico de regulador reductor de presión de operación directa con un filtro integral. A menudo se pasa por alto en el diseño, pero se necesita una selección adecuada para un funcionamiento seguro y eficaz, lo cual es fundamental, porque estos dispositivos se utilizan a menudo en cierres de emergencia y otras aplicaciones exigentes de válvulas de encendido/apagado.

Como es el caso con cualquier regulador de operación directa, un conjunto de aire detecta y mantiene la presión aguas abajo hasta un punto de ajuste requerido. En la Figura 1, la presión de salida (región azul) se detecta en la parte inferior del diafragma y el regulador de aire utiliza esta presión para generar fuerza y ​​contrarrestar la fuerza del resorte en la parte superior del diafragma. La carcasa del resorte (en el área amarilla) tiene ventilación a la atmósfera.

Figura 1. Aquí se muestra un regulador de aire típico con filtro integral y alivio interno. La presión de salida (región azul) se detecta en la parte inferior del diafragma y el regulador de aire utiliza esta presión para generar fuerza y ​​contrarrestar la fuerza del resorte en la parte superior del diafragma. La carcasa del resorte (en el área amarilla) tiene ventilación a la atmósfera.

Cuando aumenta la demanda de aire aguas abajo, la presión de salida comienza a disminuir, provocando una disminución correspondiente de la fuerza ejercida en la parte inferior del diafragma. El resorte reacciona descomprimiéndose hasta igualar la fuerza ejercida por el diafragma. Debido a que el resorte está anclado mediante un tornillo de ajuste, la única forma en que el resorte puede descomprimirse es en la dirección del diafragma.

El diafragma está unido al tapón de la válvula, por lo que el tapón se aleja del asiento, lo que aumenta el flujo de aire desde la región de entrada (área roja) hacia el sistema aguas abajo (área azul). Cuando se satisface la demanda de flujo, la presión debajo del diafragma aumenta hasta el punto de ajuste del regulador de aire, el resorte se comprime y el obturador de la válvula se impulsa hacia el asiento para cerrar el flujo.

El regulador se ajusta ajustando la tensión del resorte. Cuanto más apretado esté el resorte, mayor será la presión de salida del regulador. En funcionamiento, el regulador se abrirá tanto como sea necesario para mantener la presión aguas abajo. Las fuerzas del diafragma y del resorte deben estar en equilibrio cuando el regulador de aire está en un modo de funcionamiento estable.

Los reguladores de aire suelen ser el tipo más común de regulador de presión utilizado en plantas químicas y refinerías de petróleo. En particular, se pueden encontrar conectados a válvulas de control, donde el regulador de aire se utiliza para reducir la presión de aire del sistema a un nivel operativo seguro para el funcionamiento de la válvula. Luego, un posicionador/controlador puede enviar la presión adecuada al actuador en función de la señal del punto de ajuste, generalmente recibida del sistema de automatización. La salida da como resultado un recorrido de válvula controlable para regular el flujo de un proceso.

Muchas aplicaciones no utilizan un posicionador/controlador para regular el recorrido de la válvula y, por lo tanto, el flujo del proceso, sino que requieren que una válvula esté completamente abierta o cerrada. A menudo se las denomina válvulas de cierre automatizadas, en las que la presión del aire del instrumento se reduce mediante un conjunto de aire y un solenoide aguas abajo del regulador controla la presión que actúa sobre el actuador de la válvula. El solenoide puede liberar esta presión de aire a la atmósfera en caso de que se requiera que la válvula falle a prueba de fallas, generalmente impulsada a esta posición mediante un resorte.

La Figura 2 muestra un ejemplo de un regulador de aire utilizado en una aplicación de encendido/apagado. La presión principal de suministro de aire al actuador se controla al punto de ajuste deseado mediante el conjunto de aire (3). Este aire a menor presión pasa luego a través de la válvula solenoide (2) y se aplica al actuador (1).

Figura 2. En esta aplicación de encendido/apagado, el conjunto de aire (3) controla la presión principal de suministro de aire al actuador hasta el punto de ajuste deseado. Este aire a menor presión luego pasa a través de la válvula solenoide (2) y se aplica al actuador (1).

En las refinerías de petróleo, por ejemplo, las válvulas de apertura y cierre se utilizan en varios sistemas diferentes, incluidos la destilación de crudo, los hidrocraqueadores e hidrotratadores, los craqueadores catalíticos y la generación de hidrógeno. En estos sistemas, se utilizan válvulas de apertura y cierre para aislar las líneas de combustible, materia prima y fraccionador, bombas y líneas de antorcha, y para gestionar la despresurización del reactor. Los reguladores de aire controlan el flujo de aire a los actuadores de estas válvulas de control y aislamiento.

Estas válvulas deben activarse y desactivarse en intervalos de tiempo especificados por el usuario final y dependiendo de la aplicación (Figura 3).

Figura 3. Aquí se muestra una válvula de bola con regulador de aire y actuador.

El regulador de aire debe proporcionar suficiente presión para accionar estas válvulas durante estos intervalos, manteniendo la válvula cerrada cuando sea necesario y permitiendo que la válvula se reposicione según sea necesario.

Un sistema instrumentado de seguridad (SIS) opera independientemente del sistema de control de procesos básico y se utiliza para implementar una o más funciones instrumentadas de seguridad. Estos sistemas utilizan controles de hardware y software especializados y se rigen por la norma IEC 61511, emitida por la Comisión Electrotécnica Internacional (www.iec.ch). Un SIS realiza funciones de seguridad necesarias para brindar protección al personal y al equipo contra peligros o eventos específicos.

Un SIS es esencial en plantas químicas y refinerías para prevenir incendios, liberación de materiales peligrosos e inundaciones incontroladas. Las aplicaciones y ubicaciones típicas de un SIS en una refinería incluyen destilación atmosférica (línea inferior de una torre de destilación), craqueo catalítico (retirada de catalizador gastado y fondos de fraccionamiento) y parques de tanques (líneas para llenar o descargar tanques y terminales).

La mayoría de estas y otras aplicaciones críticas incluyen válvulas de cierre de emergencia (ESD) diseñadas para cerrar un flujo de medios de proceso cuando se detectan condiciones peligrosas. Estas válvulas deben poder funcionar en caso de emergencia, sirviendo como la última línea de defensa del sistema, independientemente de si hay disponible presión de suministro de instrumentos.

IEC 61511 requiere la aplicación de un solenoide de tres vías entre el regulador del conjunto de aire y el actuador, pero se considera una mejor práctica no confiar únicamente en el solenoide para asegurarse de que la válvula falle en la posición correcta. En cambio, las aplicaciones ESD requieren que el usuario final considere criterios de selección adicionales al determinar el regulador de aire correcto.

Dado que los reguladores de aire funcionan basándose en cambios en la presión aguas abajo en lugar de aguas arriba, puede ser problemático para las aplicaciones de encendido y apagado de SIS si el aire está bloqueado en su posición porque no hay demanda para el actuador y se pierde la presión de suministro del instrumento. El regulador no reaccionará porque la presión aguas abajo del conjunto de aire permanece sin cambios a menos que el solenoide elimine la presión del actuador.

Si el solenoide aguas abajo del regulador no reacciona, es posible que la presión aguas abajo del conjunto de aire no cambie, lo que impide que el actuador de la válvula ventile e inhibe el movimiento a la posición de falla deseada. Esta situación compromete todo el propósito de la válvula ESD y puede impedir que el SIS logre su propósito.

Afortunadamente, existen varias formas de abordar este problema, como se explicará en la sección siguiente.

Al seleccionar válvulas y componentes relacionados para aplicaciones de proceso, los usuarios deben considerar los requisitos de presión de entrada y salida, la precisión, el flujo requerido, las propiedades del medio del proceso, el tamaño de la tubería y la temperatura nominal. Pero para los reguladores de airsets, el tipo de producto es otro criterio importante necesario para una selección adecuada. Para ESD y otras aplicaciones críticas de encendido y apagado, es importante seleccionar un regulador de aire que pueda eliminar rápidamente la presión de aire atrapada para garantizar que la válvula falle en la posición adecuada.

En general, se seleccionan dos tipos comunes de reguladores de aire para garantizar los modos de falla adecuados de las válvulas ESD: válvula de retención integral y de purga constante.

Los reguladores de aire con purga interna o externa constante evitan que la presión quede atrapada dentro del actuador de la válvula al purgar constantemente la presión aguas abajo, lo que garantiza que la válvula falle hasta la posición deseada en caso de que se pierda el suministro de aire. Los reguladores de aire de purga constante se han utilizado durante décadas, pero están perdiendo popularidad debido a estos inconvenientes inherentes:

Los fabricantes han desarrollado reguladores de aire con una válvula de retención integral para abordar los inconvenientes de la solución de purga constante. Esta válvula de retención integral está ubicada dentro del cuerpo del conjunto de aire y está cerrada durante el funcionamiento normal, como se muestra en la Figura 4. En caso de una pérdida de presión de suministro, o si la presión de suministro cae por debajo del punto de ajuste del regulador en una cantidad preestablecida, la válvula de retención se abre y permite que la presión de salida fluya rápidamente de regreso a través del cuerpo del regulador hacia el lado aguas arriba.

Figura 4. Este regulador de aire con válvula de retención interna, que se muestra a la derecha, es adecuado para apagado de emergencia y otras aplicaciones de encendido/apagado.

El tamaño del orificio de la válvula de retención es mayor que el orificio de purga constante, lo que garantiza una reacción rápida de la válvula ante las pérdidas de presión de suministro. La válvula de retención también proporciona una solución sin purga, lo que resulta en una operación más eficiente y segura con emisiones reducidas.

El diseño elimina el consumo excesivo de aire o gas, conservando los recursos de la planta. Si se utiliza gas natural para el accionamiento, no se liberará a la atmósfera. Este tipo de emisiones fugitivas pueden tener consecuencias ambientales adversas y dar lugar a multas.

Un inconveniente de la solución de válvula de retención integral es la incapacidad del regulador de aire para cerrarse por completo. Estos tipos de conjuntos de aire requieren una válvula de alivio interna para evitar que la presión aguas abajo aumente lentamente debido a fugas a través del asiento metálico de la válvula de retención.

Las innovaciones recientes en los reguladores de aire con válvulas de retención internas han agregado asientos blandos a la válvula de retención. Esto permite un cierre hermético y elimina la necesidad de un alivio aguas abajo para ventilar el exceso de presión causado por las fugas del asiento con el tiempo. También evita la acumulación de presión, que en el peor de los casos podría accionar la válvula cuando no está previsto.

Este tipo de válvula de retención integral debe especificarse para evitar que la presión aguas abajo aumente lentamente hasta que se libere a la atmósfera o que se active potencialmente una alarma de alta presión. Se prefiere este diseño cuando se suministra aire a un sistema sin salida, como es el caso cuando se suministra un actuador de válvula. Como beneficio adicional, estos dispositivos reducen aún más el consumo de aire del sistema, junto con los costos correspondientes de alimentar estos dispositivos neumáticos.

Como ocurre con todos los componentes críticos, los proveedores pueden brindar asistencia con la selección, asegurando que se utilice el regulador correcto en una aplicación particular para garantizar una larga vida útil de los activos con un funcionamiento correcto.

Todas las figuras son cortesía de Emerson.

Jeff Welch es gerente de ventas regional en Emerson Automation Solutions (3200 Emerson Way, McKinney, TX 75070; teléfono: 800-558-5853; correo electrónico: [email protected]). Tiene nueve años de experiencia con reguladores de presión en aplicaciones de gas natural, industriales y propano. Durante su tiempo en Emerson, trabajó en ingeniería de pruebas y evaluación, ingeniería de aplicaciones y desarrollo empresarial. Tiene una licenciatura en biología e ingeniería biológica de la Universidad de Arkansas.