Tegendrukregelaars: Hoe ze werken en tips voor analyzer engineers

Instellen van de tegendrukregelaar: Tips voor monsternamesysteem engineers

Tegendrukregelaars spelen een belangrijke rol bij het handhaven van de stroomopwaartse druk en het beschermen van gevoelige apparatuur in monsternamesystemen die in veel industriële installaties worden gebruikt. Om een tegendrukregelaar goed te kunnen gebruiken, kunnen monsternamesysteemengineers veelgemaakte fouten voorkomen bij het ontwerp van monsternamesystemen. 

Welke fouten worden hier bedoeld?

• Het onderschatten van het belang van een stroomopwaarts debietbeperkend apparaat
• Te veel doorstroming door de analysator toestaan
• Een drukverlagende regelaar in serie plaatsen met een tegendrukregelaar zonder stromingsweerstand tussen de twee apparaten

Hieronder kunt u verder lezen over het ontwerpen en bouwen van een monsternamesysteem met een tegendrukregelaar en hoe u deze veelgemaakte ontwerpfouten kunt vermijden.

Een tegendrukregelaar installeren

In tegenstelling tot drukreducerende drukregelaars regelt een tegendrukregelaar de inlaatdruk (stroomopwaartse druk) en wordt deze meestal aan het einde van een leiding geïnstalleerd. Een reduceerventiel daarentegen regelt de uitlaatdruk (stroomafwaartse druk) en wordt meestal aan het begin van een leiding geïnstalleerd. Beide typen reduceerventielen zorgen voor een evenwicht tussen de krachten die het gevolg zijn van de systeemdruk en de veerkracht die ontstaat bij het instellen van de ingestelde druk.

Als dit evenwicht wordt verstoord doordat de externe druk toeneemt of afneemt, zal de klep of poppet van de regelaar dichter bij of verder weg van de zitting bewegen. Afhankelijk van de aard van de beweging van de klep zal de stroming gemakkelijker of minder gemakkelijk door de opening van de drukregelaar stromen totdat de drukregelaar weer in evenwicht is.

Afbeelding 1 toont een typische tegendrukregelaaropstelling voor een analytisch monsternamesysteem. Als er flow is die niet wordt gebruikt door de analysator (zie A in figuur 1), is het de taak van de regelaar om die flow om te leiden naar een bypass. Als de druk bij de bron verandert, verandert de regelaar ook de hoeveelheid omgeleide flow om ervoor te zorgen dat de druk bij de inlaat van de regelaar constant blijft en er dus een constante flow naar de analysator gaat.

Een tegendrukregelaar heeft stroomopwaarts een restrictie nodig (meestal een naaldklep) om de inlaatdruk te helpen regelen (zie R1 in figuur 1). Als er geen restrictie is tussen de tegendrukregelaar en het systeem (zelfs een lange buis kan een minimale drukval hebben in gassystemen), zal de tegendrukregelaar wijd open gaan in een poging genoeg gas te verplaatsen om de stroomopwaartse druk te verlagen. Dit zal niet effectief zijn. Met een restrictie op zijn plaats zal de verhoogde stroomsnelheid echter resulteren in een verhoogde drukval over die restrictie, wat helpt om de druk stroomafwaarts te verlagen.

Een fout die ontwerpers van bemonsteringssystemen vaak maken is het weglaten van de debietbegrenzers, omdat ze denken dat de tegendrukregelaar de stroomopwaartse druk direct kan regelen. Maar zonder de restrictor zou er weinig tot geen drukverandering zijn als het debiet van het systeem verandert. De regelaar zou procesgas of -vloeistof blijven verspillen in een poging om het debiet te verhogen, omdat de inlaatdruk die hij probeert te regelen geen verandering zou vertonen. Dit kan ertoe leiden dat de regelaar wijd open staat.

Het toestaan van veel flow door de restrictor van de analysator (zie R2 in figuur 1) is een andere ontwerpfout omdat hierdoor de inlaatdruk van de regelaar onder de ingestelde druk kan komen. Dit kan ertoe leiden dat de regelaar volledig afsluit, waardoor de luchtstroom wordt beperkt. Voor een betere controle moet de stroomopwaartse debietbegrenzer (R1) zo gedimensioneerd worden dat er zelfs bij het maximale debiet van de analysator nog wat door de regelaar kan stromen.

Om een functioneel systeem zoals in figuur 1 op te zetten, moeten systeemontwerpers beginnen met R2 te sluiten, R1 zo af te stellen dat er voldoende bypassflow is voor de gewenste analyseresponstijd en vervolgens R2 fijn af te stellen voor het gewenste debiet van de analysator. De bypass-stroom moet automatisch met dezelfde hoeveelheid afnemen. Indien nodig opent u R1 langzaam totdat de bypass-stroom minstens even snel is als de ontluchtingsstroom van de analysator. Hierdoor kan de regelaar de inlaatdruk regelen wanneer de druk van de bron verandert. Als u verwacht dat de brondruk sterk zal veranderen, pas R1 dan aan om een kleine hoeveelheid bypassstroom te genereren bij de laagst verwachte brondruk.

Met de druk geregeld door de tegendrukregelaar in combinatie met de debietbegrenzers R1 en R2 kunnen we de stroom naar de analysator en de ontluchtingsleiding goed regelen.

Aangezien deze drie componenten de stroom naar de analysator en de stroom van de bypass regelen, is een naaldklep of ander beperkend apparaat in de ontluchtingsleiding van de bypass niet nodig. Een bypass flowmeter zonder naaldklep is echter nuttig om te bevestigen dat de regelaar een bepaalde flow doorlaat en de inlaatdruk regelt.

Afbeelding 2. Deze afbeelding toont een veelgemaakte fout waarbij een drukreduceeregelaar en een tegendrukregelaar die in serie zijn gemonteerd zonder een debietbegrenzer ertussen, met elkaar concurreren, wat een ineffectieve drukregeling in het systeem veroorzaakt. Afbeelding © 2013 "Industrial Sampling Systems"

Drukreduceer- en tegendrukregelaars in serie gebruiken

Zoals figuur 2 aantoont, treedt een andere ontwerpfout op wanneer een tegendrukregelaar direct na een drukreduceeregelaar wordt geplaatst. Omdat twee reduceerventielen niet dezelfde druk kunnen regelen, moet een van hen verliezen.

Om dit verlies te illustreren, zijn er twee scenario's. Ten eerste, als het instelpunt van de tegendrukregelaar hoger is dan de druk die erin komt van de stroomopwaartse regelaar, zal deze gesloten blijven omdat er niet voldoende kracht is om de tegendruk poppet van de zitting te tillen en stroming door de tegendrukregelaar toe te staan. In dit scenario is er geen bypassstroom, omdat de tegendrukregelaar gesloten blijft.

In de tweede situatie is het instelpunt van de tegendrukregelaar lager. Omdat het debiet nu toeneemt, zal de toevoerdruk van de drukreduceeregelaar afnemen met de droop curve van de stroomopwaartse regelaar. Het debiet neemt drastisch toe, waardoor de tegendrukregelaar zijn accumulatiecurve omhoog duwt en de inlaatdruk toeneemt.

Het resultaat van deze stijging hangt af van de instellingen van de twee regelaars:

• Als de twee instellingen dicht bij elkaar liggen, zal de stroomsnelheid toenemen totdat de droop uit de eerste regelaar overeenkomt met de accumulatiedruk in de tweede. Dit resulteert echter in een zeer hoog debiet.
• Als de twee instellingen verder uit elkaar staan, zal de stroomsnelheid stijgen totdat die regelaar geen controle meer heeft. De ene regelaar regelt de druk en de andere wordt een debietbegrenzer.

Het debiet van de bypass hangt af van het verschil tussen de twee instelpunten. Het neemt toe totdat de regelaars "tot een overeenkomst komen". Wanneer de stroomopwaartse druk verandert of het debiet naar de analysator varieert, proberen de twee regelaars een tussenliggende druk tussen hun instelpunten vast te houden, maar met onzekere resultaten. Dit wordt geïllustreerd in figuur 3.

Dit betekent niet dat de twee reduceerventielen niet in serie kunnen werken, maar de enige manier waarop dit succesvol kan gebeuren is door er een debietbegrenzer tussen te plaatsen. Figuur 4 toont dit scenario waarbij bij de juiste instellingen beide reduceerventielen werken zoals het hoort en de druk constant is aan beide uiteinden van de twee restrictoren. De consistentie van deze druk zorgt voor een constante flow en beschermt de analysator tegen variaties in bron- en ontluchtingsdruk.

Fig 4. Laat zien hoe het gebruik van een debietbegrenzer tussen twee reduceerventielen, een tegendrukregelaar en een reduceerventiel, kan zorgen voor een effectieve drukdoorstroming en controle. Afbeelding © 2013 “Industrial Sampling Systems”

Een goed werkend systeem

Om de goede werking van een tegendrukregelaar te garanderen, moet het monsternamesysteem zorgvuldig worden ontworpen om ervoor te zorgen dat de regelaar zijn werk doet bij het regelen van de druk. Een te hoge of te lage druk kan schade of vertragingen in het systeem veroorzaken.

Als u vragen hebt bij het instellen van regelaars in uw monsternamesystemen, kunnen wij u helpen. Swagelok Engineers kunnen uw faciliteiten bezoeken om uw monsternamesysteem te evalueren, advies te geven over het ontwerp of problemen op te lossen. U kunt ook alles leren over het ontwerp en het gebruik van monsternamesystemen via onze trainingen Process Analyzer Sampling System (PASS) of Sampling System Problem Solving and Maintenance (SSM).

Jon Kestner

Senior Product Line Manager, Swagelok