Flach ist angestrebt

Abflachende Durchflusskurven von Druckminderungsreglern in Systemen mit hohem Durchfluss – Teil 1

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26.03.2014 Wenn eine Anwendung das Beibehalten konstanter Ausgangsdrücke bei hohen Durchflüssen verlangt, muss in der Regel ein dombelasteter Druckminderungsregler eingesetzt werden. Aber auch dann muss man dem Druckregler eventuell externe Komponenten zufügen, um die gewünschte Leistung zu erhalten. Ziel dabei ist, eine einigermaßen flache Durchflusskurve für den Druckregler bei einem eingestellten Druck zu erzeugen.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

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  • Mit der Systemkonfiguration „Dombelasteter Druckregler mit externer Rückführung zum Pilotregler" kann der Pilotregler äußerst genaue Änderungen des Drucks in der Domkammer des Domdruckreglers basierend auf dem tatsächlichen Ausgangsdruck des Systems vornehmen.
  • Da die Änderungen hier an der primären Drucksteuerquelle - dem Pilotregler - vorgenommen werden, bietet diese Konfiguration eine sehr präzise Steuerung des Ausgangsdrucks und führt zu einer sehr flachen Durchflusskurve über einen sehr breiten Durchflussbereich.

Ein Durchflussdiagramm für einen Druckminderungsrelger illustriert den Bereich der Ausgangsdrücke (vertikale Achse), den der Druckregler bei verschiedenen Durchflussraten (horizontale Achse) in einem System aufrechterhalten kann. Idealerweise sollte der Druckregler am flachsten – bzw. horizontalsten – Teil einer Kurve betrieben werden – dort, wo er auch bei starken Durchflussänderungen relativ konstanten Druck beibehält.

Welche Konfiguration ist die beste?
Leider kommt es bei jedem Druckregler-Durchflussdiagramm zu einer Regeldifferenz (Droop). Bild 1 zeigt vier Durchflussdiagramme, wobei der Abfall der Kurven – von links nach rechts gelesen – jeweils als „Regeldifferenz“ bezeichnet wird. Im ganz rechten Teil der einzelnen Kurven sieht man, wo der Druck steil abfällt. Der Bereich ab dem Punkt, wo der Druck schnell abfällt, bis zur Stelle, wo er sich Null nähert, wird als gedrosselter Durchflussbereich bezeichnet. Der Druckregler sollte nicht in diesem Bereich betrieben werden, da dies zu einem relativ starken Abfall des Ausgangsdrucks führen würde. Dies ist der Bereich, in dem der Druckregler nicht effizient oder effektiv ist. Falls die Durchflussraten diesen Bereich erreichen werden, sollte man den Einsatz eines anderen oder größeren Druckreglers erwägen.

Wenn ein Druckregler allerdings im funktionalen Teil der Kurve – d. h. bevor der gedrosselte Durchflussbereich beginnt – betrieben wird, kann man die Regeldifferenz reduzieren und eine flachere Kurve über einen größeren Durchflussbereich hinweg erzielen, indem man die Kapazitäten des Druckreglers erweitert. Unter Verwendung eines federbelasteten Druckreglers als Ausgangspunkt betrachtet (Bild 2) dieser Artikel die folgenden Systemkonfigurationen:

  • Einsatz eines vorgelagerten Pilotdruckreglers zum Steuern des Domdrucks in einem dombelasteten Druckregler (Bild 3);
  • Einsatz eines vorgelagerten Pilotdruckreglers sowie nachgelagerte externe Rückführung zum dombelasteten Druckregler oder
  • Einsatz eines vorgelagerten Pilotdruckreglers sowie nachgelagerte externe Rückführung zum Pilotdruckregler (statt zum dombelasteten Druckregler).

Diese Konfigurationen bieten gute, bessere und beste Leistungen im Bezug auf das Beibehalten konstanteren Drucks über zunehmend größere Durchflussbereiche.

Dynamische Druckregelung angestrebt
Dieser Artikel konzentriert sich auf eine Anlage, bei der Stickstoff von einer Quelle für mehrere Prozesse verwendet wird. Wir nehmen an, dass die Prozesse nicht alle gleichzeitig ablaufen und der Bedarf nach Stickstofffluss während des Tages daher fluktuiert. Falls die Einrichtung einen federbelasteten Druckregler zur Steuerung des Gasdrucks verwenden würde, würde ein Anstieg des Ausgangsdurchflusses zu Druckabfällen führen, während ein Abfall des Ausgangsdruckflusses Druckstöße verursachen würde. Beide Druckänderungen würden ein häufiges manuelles Nachstellen des Druckreglers oder eine zusätzliche Druckregelung erfordern. Stattdessen verwendet die Einrichtung einen domgesteuerten Druckregler, der eine dynamische Druckregelung – ohne manuelle Regulierung – ermöglicht und mit fluktuierenden Durchflussanforderungen konstanteren Druck bietet.

In einem dombelasteten Druckregler wird die Rolle der Feder in einem federbelasteten Druckregler durch ein beaufschlagtes Gasvolumen in der Domkammer des Druckreglers übernommen. Die Domkammer wird mit einem Druck knapp über dem erforderlichen Ausgangsdruck beaufschlagt. Dieser konstante Druck übt Kraft auf die Membran aus. Wenn diese Kraft größer als die vom Ausgangsdruck erzeugte Kraft ist, öffnet sich das Öffnungselement. Mit sich ausgleichendem Druck wirkt der Ausgangsdruck nach oben auf die Membran, wodurch sich das Öffnungselement schließt.

Bild 1 zeigt vier Durchflusskurven für Druckregler, die in diesem System verwendet werden können, die jeweils denselben eingestellten Ausgangsdruck von 20 bar haben. Die erste Kurve stellt den federbelasteten Druckregler als Ausgangspunkt zur Vergleich dar. Die anderen drei Kurven stellen verschiedene Systemkonfigurationen mit demselben dombelasteten Druckregler dar. Dem Domdruckregler werden im Weiteren verschiedene externe Komponenten hinzugefügt und interne Designänderungen vorgenommen, so dass der Druck im Dom dynamisch reguliert werden kann, um die Leistungsfähigkeit des Druckreglers zu verbessern.

Dombelasteter Druckregler mit Pilotregler: gut
In der als „gut“ bezeichneten Druckreglerkonfiguration wird ein dombelasteter Druckregler verwendet, der auf Druckschwankungen reagiert, indem der Druck in der Domkammer des Reglers über einen größeren Durchflussbereich des Systems konstant gehalten wird. Hierzu wird ein Pilotdruckregler hinzugefügt, der der Domkammer des Druckreglers beaufschlagtes Gas zuführt, sowie eine Ausgangsschleife zur Entlastung übermäßigen Domdrucks (Bild 3). Diese Konfiguration bietet dynamische Domdrucksteuerung, damit der dombelastete Druckregler seinen ursprünglichen Einstelldruck leichter beibehalten kann.

Die Gasquelle des Pilotreglers stammt vom Systemmedium (Stickstoff) selbst. Verbunden mit dem Ausgangsdruck durch die Entlüftungsleitung bleibt der Druck im Dom konstant bei 20 bar. Wenn der Ausgangsdruck unter 20 bar abfällt, sinkt der Domdruck ebenfalls ab; der Pilotregler kompensiert dies dann durch das Erhöhen des Domdrucks auf den ursprünglichen Einstelldruck. Wenn der Ausgangsdruck ansteigt, wird dies vom Domdruckregler durch Schließen seiner Öffnung kompensiert. Dadurch steigt der Domdruck an, so dass wiederum die Öffnung des Pilotreglers verringert und der übermäßige Domdruck in die nachgelagerte Prozessleitung abgelassen wird. Durch diese Maßnahmen erreichen beide Regler wieder den ursprünglichen Einstelldruck.

Die zweite Durchflusskurve in Bild 1 zeigt, welche zusätzliche Leistung die Konfiguration aus dombelastetem und Pilotdruckregler ermöglicht, verglichen mit dem System mit einem federbelastetem Druckregler (Kurve 1). Die Einstellfeder in einem federbelastetem Druckregler verliert an Kraft, wenn sie beim Offendrücken des Schließelements länger wird. Dies führt zur Regeldifferenz (Abfall des Ausgangsdrucks). Mit der dynamischen Domdrucksteuerung durch den Pilotregler ist der verwendbare Bereich der Durchflusskurve größer als mit dem federbelastetem Druckregler. Je nach der spezifischen Anwendung ermöglicht die „gute“ Konfiguration den Einsatz an Systemen mit erhöhtem Durchfluss, ohne dass signifikante Abfälle des Ausgangsdrucks zu befürchten sind. Aber es gibt noch bessere Möglichkeiten.

Den zweiten Teil dieses Beitrags lesen Sie in der Mai-Ausgabe der CHEMIE TECHNIK

Hier erfahren Sie mehr über die Grundlagen zum Verstehen und Lesen von Durchflusskurven von Druckreglern.

Heftausgabe: April 2014
Michael D. Adkins, Senior Manager, Product Line Management, Swagelok Company

Über den Autor

Michael D. Adkins, Senior Manager, Product Line Management, Swagelok Company

Michael D. Adkins, Senior Manager, Product Line Management Swagelok

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