Dimensionering av reglerventiler – En teknisk diskussion

Det finns en tumregel som säger hur tryckförlusten över en ventil ska förhålla sig till det totala systemets tryckfall för att kunna reglera tillfredsställande. Denna kvot kallas på engelska, Valve Authority, och kan användas för att välja en ventil. För att åstadkomma en god design av reglerventiler så måste man göra flera kvalificerade och ingenjörsmässiga val där differenstrycket över ventilen i förhållande till det totala differenstrycket i en krets är en viktig faktor för val av ventil. Om reglerventilen är överdimensionerad så blir prestandan och livslängden lidande, och tillförlitligheten reduceras. Blir ventilen underdimensionerad så får vi en tillräcklig reglerförmåga, men systemet kan inte nå sin fulla kapacitet. Till detta kommer att vi bör tänka på att vår design ska ta hänsyn till energioptimering, men detta leder ofta till en dålig styrning av ventilen.

Valve Authority (N) definieras som förhållandet mellan tryckförlusten över den fullt öppna ventilen och tryckförlusten över hela systemet (inklusive ventilen) vid fullt flöde enligt designkraven. Detta beskrivs av följande ekvation:

N =ΔPvalve /ΔPtotal

där:

N                     är Valve Authority
ΔPvalve              tryckförlusten över ventilen när den är fullt öppen.

ΔPtotal                            är tryckförlusten över hela kretsen.

För att få god reglering rekommenderas ett värde på 0,5 eller större. Ett värde under 0,25 ger instabil reglering, 0,25 till 0,5 ger en hyfsad stabilitet, medan ett värde mellan 0,5 -1,0 ger en utmärkt reglering. Tänk dock på att ett högre värde på N ger större energiförluster.

Låt oss betrakta en cirkulär krets där pumpen ger en tryckhöjning på 13 kPa vid maximalt flöde, d.v.s. när ventilen är fullt öppen. Dessa 13 kPa motsvarar det totala tryckfallet över hela kretsen. Ventilen har ett tryckfall på 6 kPa i detta läget.

Eftersom tryckförlusten över reglerventilen är 6,0 kPa så blir tryckförlusten för det övriga systemet 13 – 6 = 7 kPa. Därför kan ventilens Valve Authority beräknas till:

N = 6 / 13 = 0,46

Låt oss betrakta ett designexempel för att ytterligare fördjupa oss i detta.

Problemformulering:

Vi modellerar en del av en rörledning nedströms en värmeväxlare som transporterar Methyl Diethanolamine (MDEA) till en kolonn. Fluiden är en mix av CO2−MDEA−H2O. Systemets tryck ska styras av en tryckreducerande reglerventil. Det är önskvärt att reglerventilen har en Valve authority på c:a 0,5. Rörledningen ska också dimensioneras så att gaspartitionens hastighet ligger mellan 10 och 15 m/s.

Designdata:

Fluidens (MDEA) temperatur vid inloppet : 106.5 °C.

Tryck i kärlet: 5 bar (a=absolut)

Höjd till kärlets bas: 3 m

Utloppets höjd: 31.27 m

Tryck vid utloppet: 1.8 bar (a)

Massflöde vid utloppet enligt design: 367,000 kg/h

Specifik ånghalt: 0.06

Angreppssätt:

Låt oss utveckla schemat för systemet så att tryckförlusten över reglerventilen blir så litet som möjligt för att spara energi men samtidigt uppfylla kravet på god reglerbarhet. Detta betyder att vi ska försöka nå ett förhållande mellan tryckfallet över ventilen och det totala tryckfallet på c:a 0,5 och att det i alla tillfällen måste ligga över 0,2.

Vi känner trycket i kärlet som är 5 bar absolut och designtrycket vid utloppet som är satt till 1,8 bar (a). Tryckförlusten i hela kretsen kan fastställas till 3,2 bar. Detta innebär att om man vill uppnå ett förhållande mellan tryckfallet i ventilen i förhållande till det totala tryckfallet i kretsen på 0,5 (Valve authority) vid designflödet på 367000 kg/h så skall tryckfallet vara 1,6 bar (=3,2 bar * 0,5). Detta kan användas som en preliminär ansats i vårt första steg i lösningen, Steg 1 nedan.

Steg 1

Vi bygger upp en preliminär design av systemet med förutsättningarna ovan. Till att börja med använder vi en Kv-komponent för att representera tryckfallet över reglerventilen. Vi vill ju helt enkelt sätta tryckfallet till 1,6 bar över Kv-komponenten. Figur 2 visar systemet.

Figur 2: MDEA Krets med en Kv-komponent som representerar ventilen.

I detta preliminära skede har MDEA-vatten-CO2-mixen detekterats som 2-fas med en gashalt räknat på massa (“Vapor quality” i FluidFlow) på c:a 6,7%. För 2-fassystem är det en vanlig tumregel att hålla gasens hastighet runt 15 m/s vid denna gas/vätske-fördelning.

Här är det också viktigt att veta vilken sorts tvåfasflöde det rör sig om. I detta fall är flödet “annular mist”, vilket kan ses i figur 3 nedan. Man skall försöka undvika “slug flow” och detta sker lämpligen genom att hålla gasens hastighet relativt hög.

Figur 3: Annular Mist Flow Pattern Map.

Det går att välja olika storlekar på rörledningen i detta system för att nå den avsedda gas-hastigheten på 10-15 m/s. I detta första steg har vi valt 300 mm diameter på rörledningen vilket ger en hastighet på gasfasen på 14 m/s vid inloppet. Det är värt att notera att när fluiden kommer nedströms, och trycket faller, så ökar gasens volym och därmed också dess hastighet och vid utloppet är det betydligt högre.Det är nödvändigt att se över rördiametern i ett senare steg.

Step 2

Vi kan nu ta den initala designen från steg 1 vidare och byta ut Kv-komponenten mot en tryckreduceringsventil (Pressure reducing valve). Den sätts till automatisk storleksbestämning. Vi byter okså ut randvillkoret (“Known flow”) till ett känt tryck som sätts till 1,8 bar (a) (enligt designkraven). Ventilens börvärde sätts så att vi uppnår ett flöde på ungefär 367000 kg/h i systemet. Detta illustreras i Figur 4 nedan.

Figur 4: MDEA krets med en tryckreduceringsventil (PRV)

Steg 3

Här är det dags att välja storlek på rörledningen nedströms ventilen. Genom att variera tryckreduceringsventilens (PRV) börvärde för trycket nedströms ventilen kan vi uppnå rätt flöde. De beräknade värdena redovisas i tabell 1.

Tabell 1: Ventilens börvärde, tryckfall och reglerförhållande vid olika rördimensioner.

Vi ser preliminärt att rördiametrar på 450 – 500 mm ger ett tillräckligt högt värde på Valve authority (N = 0,525 & 0,56).

Nästa steg är att välja rätt ledningsstorlek samtidigt som man beaktar begränsningshastighetskriteriet på 15 m/s för gasfasen. Den lämpligaste rördiametern är därför 500 mm. Mindre rör kommer också att fungera, men vi måste undvika ett chokad flöde i systemet. Vi behöver därför hålla gashastigheten under max 50 m/s. Om kapitalkostnaden är det viktigaste designkriteriet, kan man överväga att använda en mindre rörstorlek.

Figur 5 visar hur systemet ser ut i detta steget.

Figur 5: MDEA kretsen – med optimerade rörstorlekar.

Hittills har vi genom beräkningarna tagit fram ventilens Kv tillsammans med övriga fysikaliska egenskaper. Dessa data kan skickas till ventilleverantören så att de kan göra det slutgiltiga valet ur sitt sortiment.

Steg 4
Till sist kan den automatiskt beräknade tryckreduceraren bytas ut för den faktiska ventilen från leverantören(Figur 6). I detta fall beräknas tryckförlusten över ventilen till 1,5 bar vilket ger en Valve Authority på 0,47  (1,5/3,2 = 0,47).

Figur 6: MDEA-krets med leverantörsspecifik reglerventil.

I det här exemplet har vi sett hur man kan använda FluidFlow vid verklig systemdesign samtidigt som vi beaktat olika aspekter av systemet, såsom fluidens fysikaliska egenskaper, ventilens Kv, bra reglerförhållande, tillåtna flödeshastigheter och tryck o.s.v.