Dimensionering van niveauregelende kleppen voor toepassingen in reservoirs

De hydraulische principes die voor niveauregelende kleppen gelden, worden in de ontwerpfase vaak onderschat. Een onjuiste dimensionering - met name bij hogere inlaatdrukken - is een van de meest voorkomende oorzaken van vroegtijdige defecten aan kleppen op installaties in onderhoudsreservoirs. De twee factoren die de levensduur van kleppen het meest verkorten, zijn druk en stroomsnelheid, en hoewel ze met elkaar te maken hebben, vereist elk een aparte technische reactie.

Het drukprobleem: cavitatie

Voor instroomregelkleppen in reservoirs moeten inlaatdrukken boven 5 bar met voorzichtigheid worden behandeld. Boven 7 tot 8 bar zijn beschermende maatregelen eerder essentieel dan optioneel.

Het risico is cavitatie. Wanneer de druk plaatselijk onder de dampdruk van water binnenin de klep daalt - meestal in de smoorzone - vormen zich dampbellen die vervolgens hevig instorten wanneer de druk stroomafwaarts weer toeneemt. De microstralen die door het uiteenspatten van de bellen worden gegenereerd, eroderen metalen oppervlakken snel. In ernstige gevallen kan cavitatie een klepbehuizing binnen enkele weken na ingebruikname doorboren.

Weerstand tegen cavitatie wordt uitgedrukt als een maximaal toelaatbare drukverhouding over de klep. Voor membraanbediende klepafsluiters van het type dat in de waterdistributie gebruikt wordt, is een verhouding van 3:1 de praktische limiet: met 12 bar stroomopwaarts moet de klep op minstens 4 bar tegendruk lozen. Sommige gewijzigde interne stromingstrajectontwerpen bereiken 4:1, maar 3:1 moet worden aangenomen tenzij de fabrikant testgegevens heeft die anders aantonen voor het specifieke klepmodel.

Het stromingsprobleem: snelheidslimieten

Een hoge inwendige snelheid veroorzaakt erosie, lawaai en verlies van controle. Voor membraanbediende kleppen moet de continue werking beperkt worden tot ongeveer 6 m/s; kortstondige pieken tot 20% daarboven zijn over het algemeen aanvaardbaar, op voorwaarde dat ze niet vaak voorkomen.

De standaard debietrelatie voor regelkleppen is Q = Cv√dP, waarbij Q het debiet is, Cv de volledig geopende klepcapaciteit en dP de verschildruk. Het belangrijke gevolg voor toepassingen in reservoirs is dat het debiet toeneemt naarmate de verschildruk toeneemt. De meeste kleppen bereiken hun maximaal aanbevolen snelheid bij een drukverschil van ongeveer 2 bar. Volledig open werken boven die druk - wat vaak gebeurt als de klep op de nominale leidingboring is gedimensioneerd in plaats van op de werkelijke debietvereisten - produceert snelheden die ver boven de ontwerplimiet liggen en verkort de levensduur dienovereenkomstig.

Als voorbeeld: een DN200 membraanafsluiter met een drukverhouding van 4:1, die werkt met 4 bar stroomopwaarts en 1 bar tegendruk, kan 330 liter per seconde doorlaten bij volledige opening - 65% boven het aanbevolen maximum van 200 l/s. Dit is geen fout van de klep, maar van de dimensionering.

Oplossingen: debietbegrenzing en drukregeling

Er moet tegelijkertijd aan twee voorwaarden worden voldaan. De drukverhouding over de klep moet binnen de cavitatiegrens blijven en de stroomsnelheid mag het aanbevolen maximum niet overschrijden. Beide moeten over het volledige werkingsbereik behouden blijven, inclusief langzaam-open en langzaam-sluit cycli.

Wanneer de dynamische opvoerhoogte hoger is dan 3 bar en de statische opvoerhoogte in het reservoir bescheiden is - meestal 10 meter of minder - zal een op de hoofdafsluiter aangebrachte debietregeling voorkomen dat het debiet de ontwerplimiet overschrijdt, ongeacht het drukverschil. Dit beschermt zowel de klep als eventuele stroomafwaartse leidingen.

Voor druk is de meest betrouwbare oplossing het installeren van een drukreduceerventiel stroomopwaarts van de niveauregelende klep, ingesteld om de inlaatdruk te verlagen tot binnen het veilige werkingspercentage. Een smoorplaat wordt soms gebruikt als goedkoper alternatief, maar smoorplaten produceren een vaste drukval bij één specifiek debiet. Tijdens de langzame openings- en sluitingscycli die voor de niveauregeling van het reservoir nodig zijn - vaak met slagtijden die in minuten gemeten worden - verandert het verschil over de smoorplaat en verdwijnt de cavitatiebescherming bij debieten buiten het ontwerppunt. Technische beoordeling is nodig om te beslissen of dit acceptabel is; in de meeste gevallen is een PRV stroomopwaarts de meest robuuste keuze.

Dit in de praktijk toepassen

De juiste aanpak is om eerst het vereiste debiet en het beschikbare drukverschil te bepalen, dan een klep te selecteren die geschikt is om onder die omstandigheden op of onder de snelheidslimiet te werken en dan te beoordelen of er stroomopwaartse drukvermindering nodig is om de drukverhouding binnen veilige grenzen te houden.

Een klep met de juiste afmetingen en bescherming tegen cavitatie zou tientallen jaren betrouwbaar moeten werken met minimale interventie. Een klep die overgedimensioneerd is of boven de limiet van de drukverhouding werkt, zal herhaaldelijk defect raken - en de vervangingskosten, inclusief de onderbreking van de toevoer naar het reservoir tijdens elke onderbreking, zullen veel hoger zijn dan de kosten om de installatie vanaf het begin goed uit te voeren.