Mehr Leistungsfähigkeit für die Druckregelung

Der Autor: Michael D. Adkins Manager, Field Engineering and Pressure Regulators, Swagelok

Ein Durchflussdiagramm für einen Druckminderungsregler 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 Teil einer Kurve betrieben werden, dort, wo er auch bei starken Durchflussänderungen relativ konstanten Druck beibehält. Leider kommt es bei jedem Druckregler-Durchflussdiagramm zu einer Regeldifferenz (Droop). Bild 1 zeigt vier Durchflussdiagramme, wobei der Abfall der Kurven 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. Dies ist der Bereich, in dem der Druckregler nicht effizient oder effektiv ist. Falls die Durchflussraten diesen Bereich erreichen, sollte man die Verwendung eines anderen oder größeren Druckreglers erwägen.

Betreibt man einen Druckregler allerdings im funktionalen Teil der Kurve, so kann die Regeldifferenz reduziert und eine flachere Kurve über einen größeren Durchflussbereich hinweg erzielt werden, wenn man die Kapazitäten des Druckreglers erweitert. Unter Verwendung eines federbelasteten Druckreglers als Ausgangspunkt (Bild 2) geht es hier um folgende Systemkonfigurationen:

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

Ausgangspunkt ist hier eine Anlage, bei der Stickstoff von einer Quelle für mehrere Prozesse verwendet wird. Es wird angenommen, dass der Bedarf nach Stickstofffluss während des Tages fluktuiert. Falls die Einrichtung einen federbelasteten Druckregler zur Steuerung des Gasdrucks verwenden würde, würde ein Anstieg des Ausgangsdurchflusses zur 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. Bild 1 zeigt vier Durchflusskurven für Druckregler, die in diesem System verwendet werden können. Die erste Kurve stellt den federbelasteten Druckregler als Ausgangspunkt für den Vergleich dar. Die anderen drei Kurven stellen verschiedene Systemkonfigurationen mit demselben dombelasteten Druckregler dar. Bei der Konfiguration „gut“ ist ein dombelasteter Druckregler im Einsatz, der auf Druckschwankungen reagiert, indem der Druck in der Domkammer des Regler über einen größeren Durchflussbereich des Systems konstant gehalten wird. Ein Pilotdruckregler wird hinzugefügt, der der Domkammer des Druckreglers Druckgas zuführt, sowie eine Ausgangsschleife zur Entlastung übermäßigen Domdrucks (Bild 3). Diese Konfiguration bietet eine dynamische Domdrucksteuerung, damit der dombelastete Druckregler seinen ursprünglichen Einstelldruck leichter beibehalten kann.

Die Gasquelle des Pilotreglers stammt vom Systemmedium. Verbunden mit dem Ausgangsdruck durch die Entlüftungsleitung bleibt der Druck im Dom konstant bei 20 bar (290 psig). Wenn der Ausgangsdruck unter 20 bar (290 psig) abfällt, sinkt der Domdruck ebenfalls ab; der Pilotregler kompensiert dies dann durch die Erhöhung des Domdrucks auf den ursprünglichen Einstelldruck. Steigt der Ausgangsdruck, schließt der Domdruckregler seine Öffnung zur Kompensierung. Dadurch steigt wiederum der Domdruck an, wodurch 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. Die Einstellfeder in einem federbelasteten Druckregler verliert an Kraft, wenn sie beim Aufdrücken des Schließelements länger wird. Das führt zur Regeldifferenz. Mit der dynamischen Domdrucksteuerung durch den Pilotregler ist der verwendbare Bereich der Durchflusskurve größer. Je nach der spezifischen Anwendung ermöglicht diese Konfiguration den Einsatz an Systemen mit erhöhtem Durchfluss, ohne dass signifikante Abfälle des Ausgangsdrucks zu befürchten sind.

In der zweiten Konfiguration ist zusätzlich eine externe Rückfuhrleitung integriert. Damit kann der dombelastete Druckregler Abfälle des Ausgangsdrucks ausgleichen. Die Konfigura- tion von Pilotdruckregler und Ausgangsschleife ist ansonsten gleich wie oben (Bild 4). Mit dieser Konfiguration wird die Kurve flacher.

An der Ausgangsseite unserer Systems fällt der Druck leicht ab (generell als „Erholung“ bezeichnet), nachdem das Systemmedium aus dem dombelasteten Druckregler fließt. Wenn der Ausgangsgasdruck beispielsweise ursprünglich auf 20 bar (290 psig) eingestellt wurde, beträgt der Druck kurz nach dem Ausgang eventuell nur 19 bar (275 psig). Eine externe Rückführungsleitung, die sich kurz nach dem Ausgang befindet (Abstand beträgt in der Regel das 5- bis 10-fache des Rohraußendurchmessers) führt das mit niedrigerem Druck beaufschlagte Gas zurück zum Erfassungsbereich des Domdruckreglers. Hier erfasst die Membran des Druckreglers den niedrigeren Druck von 19 bar (275 psig) und öffnet das Schließelement des Druckreglers etwas mehr, um den Ausgangsdruck zu erhöhen. Daher reagiert der Druckregler dynamisch und genauer auf weniger turbulenten Ausgangsdruck als eine statischen Einstellung.

Mit der dritten Systemkonfiguration – hier der besten Konfiguration – kann der Pilotregler äußerst genaue Änderungen des Drucks in der Domkammer des Domdruckreglers basierend auf dem tatsächlichen Ausgangsdruck des Systems vornehmen. Wie bei der besseren Konfiguration werden bei dieser Konfiguration ein Pilotregler, eine Ausgangsschleife zur Entlastung übermäßigen Domdrucks und eine externe Rückführungsleitung verwendet. Allerdings erfolgt die externe Rückführung der nachgelagerten Rückführungsleitung direkt zum Pilot-regler (Bild 5). 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.

Hier ist ein Beispiel: Der Ausgangsdruck für den Pilotregler wird anfänglich auf 20 bar (290 psig) eingestellt, was bedeutet, dass der Druck in der Domkammer des Domdruckreglers etwas höher ist. An der Ausgangsseite des Domdruckreglers fällt der Systemdruck auf 19 bar (275 psig) ab. Dieser niedrigere Druck wird durch die Rückfuhrleitung zurück zum Pilotregler geführt. Als Reaktion darauf erhöht der Pilotregler den Druck im Dom des Domdruckreglers, was zur erforderlichen Korrektur des Ausgangsdrucks führt. Beide Druckregler – der Pilotregler und der Domdruckregler – regulieren sich dynamisch, um den Druck in der Rückführungsschleife bei den gewünschten 20 bar (290 psig) zu halten.

Mit dieser Systemkonfiguration erhält man eine Schleife, die eine konstante, automatische Regulierung zur Stabilisierung des Systems am gewünschten Einstelldruck für eine optimale Leistung ermöglicht. Die Resultate sind in der vierten Durchflusskurve in Bild 1 ersichtlich, die über einen äußerst breiten Durchflussbereich sehr flach ist und so gut wie keine Regeldifferenz aufweist. Bei diesem System kommt es erst zu gedrosseltem Durchfluss, wenn der Durchfluss noch stärker ansteigt.

Anwendungen mit hohem Durchfluss erfordern in der Regel den Einsatz von Druckreglern mit sehr flachen Durchflusskurven über weite Durchflussbereiche. Manchmal erhält man mit einem einfachen dombelasteten Druckregler (Bild 6) die gewünschten Parameter für eine Anwendung. Manchmal jedoch müssen einem System verschiedene Komponenten hinzugefügt werden, um die Leistungsfähigkeit des Druckreglers zu erweitern. Systeme mit einer nachgelagerten Druckrückführung zu einem vorgelagerten Pilotregler bieten in der Regel die beste Leistung.

Auch wenn man nie das Ideal einer perfekt flachen Kurve über einen unendlich großen Durchflussbereich erreichen kann, ist es gut zu wissen, dass es Möglichkeiten gibt, die Leistungsfähigkeit eines dombelasteten Druckreglers zu verbessern, um sehr flache Durchflusskurven über sehr große Durchflussbereiche zu erzielen.

Halle 4, Stand A21

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