Hoe een reduceerventiel selecteren en dimensioneren

Een reduceerventiel houdt een ingestelde stroomneerwaartse druk vast, ongeacht hoe de stroomopwaartse hoofdleiding fluctueert. In de waterdistributie betekent dit meestal dat de inlaat van een districtmetergebied op een minimaal aanvaardbare dienstdruk wordt gehouden terwijl pompcycli en vraagschommelingen de hoofddruk op en neer jagen. In zuiveringsinstallaties en gebouwen beschermen PRV's gevoelige instrumentatie en stroomafwaartse apparatuur tegen drukpieken die afdichtingen kunnen beschadigen, fittingen kunnen doen barsten en valse alarmen op drukbewaakte systemen kunnen veroorzaken.

Het werkingsprincipe is hydraulisch. Een veerbelaste pilot registreert de stroomneerwaartse druk via een kleine detectieleiding. Wanneer de stroomneerwaartse druk onder het instelpunt zakt, laat de pilot water uit de klepdekselkamer lopen, waardoor de kracht die de schijf gesloten houdt vermindert en het debiet toeneemt. Wanneer de stroomafwaartse druk boven het instelpunt stijgt, sluit de pilot, stijgt de druk in de klepdeksel en beweegt de schijf naar gesloten. Onder normale omstandigheden bereikt de schijf nooit volledig open of volledig dicht: hij moduleert voortdurend rond het instelpunt. Dit is normaal gedrag en duidt niet op een storing.

Dimensionering voor debiet

De standaard dimensioneringsparameter voor regelkleppen is de stromingscoëfficiënt: Kv in de Europese praktijk, Cv in de specificaties die van de VS zijn afgeleid. Beide drukken het debiet uit dat door de volledig geopende klep gaat bij een drukverschil van 1 bar (Kv) of 1 psi (Cv). De relatie is Q = Kv × √dP, waarbij Q in m³/h en dP in bar is.

Voor PRV's voor waterdistributie is de praktische interne snelheidslimiet 2 tot 6 m/s bij een normaal bedrijfsdebiet. De laagste waarde is geschikt voor continu bedrijf; korte piekdebieten tot 20% daarboven zijn over het algemeen acceptabel. Een klep die geselecteerd is voor een maximale doorstroming op of onder de 6 m/s zal bij normale belasting meestal tussen 40% en 80% open werken, wat het juiste bereik is voor een nauwkeurige drukregeling en een lange levensduur van de zitting.

Oversizing is de meest voorkomende fout. Een DN200-behuizing die voor het gemak op een DN200-pijp is gekozen, kan de ontwerpstroom slechts bij 10 tot 15% open doorlaten. Bij bijna gesloten posities creëert de schijf een straal met hoge snelheid die de zitting snel aantast. Binnen enkele maanden houdt de klep de ingestelde druk bij lage debieten niet meer en de enige oplossing is vervanging. Een DN150 of zelfs DN100 klep met de juiste afmetingen in een verloopspoel gaat langer mee.

De cavitatiegrens

Cavitatie treedt op wanneer de plaatselijke druk binnen de smoorzone van de klep onder de dampdruk van water zakt. Er vormen zich dampbellen die vervolgens hevig instorten als de druk stroomafwaarts weer toeneemt, waardoor metalen oppervlakken eroderen. In ernstige gevallen kan cavitatie een klepbehuizing binnen enkele weken na ingebruikname doorboren.

Voor membraanbediende klepafsluiters is de praktische drukverhoudingslimiet 3:1. Met 12 bar stroomopwaarts moet de klep afvoeren naar minstens 4 bar tegendruk. Sommige aangepaste stromingstrajectontwerpen bereiken 4:1, maar 3:1 moet worden aangenomen tenzij de fabrikant testgegevens voor het specifieke model kan leveren.

Als het beschikbare drukverschil groter is dan de veilige verhouding, zijn er twee opties. De eerste is om stroomopwaarts een drukverminderende trap te installeren: een tweede PRV of een vaste doorlaatplaat om het differentieel over de hoofdregelklep binnen de veilige verhouding te brengen. De tweede is om een klep te gebruiken die speciaal ontworpen is voor toepassingen met een hoog drukverschil, met een aangepast intern stromingstraject. Smoorplaten zijn een goedkopere optie, maar ze produceren een vaste drukval bij één specifieke stroomsnelheid. Buiten dat ontwerppunt verandert het drukverschil over de stroomafwaartse klep en kan de cavitatiebescherming verloren gaan.

Vaste uitlaat, tijdgemoduleerde en debietgemoduleerde regeling

De eenvoudigste PRV pilot heeft een vaste uitlaatdruk die ingesteld wordt door een veerafstelling. Dit is betrouwbaar en vereist geen externe voeding, maar het stelt de druk in voor het slechtste geval: hoge vraag op het kritieke punt van de zone. Tijdens dalperioden, meestal van middernacht tot 5 uur 's ochtends, wordt de volledige zonedruk gehandhaafd, ook al is de vraag maar een fractie van het debiet overdag. Op netwerken waar achtergrondlekkage een probleem is, vertegenwoordigt dit een aanzienlijk volume aan onnodig verlies.

Tijdgemoduleerde pilots verlagen het instelpunt van de uitlaatdruk tijdens geprogrammeerde periodes met weinig vraag, meestal met 0,5 tot 1,5 bar. Het schema wordt geprogrammeerd in een kleine timerunit in het pilotcircuit. De verlaging tijdens de nachtperiode, toegepast op alle serviceaansluitingen in de zone, vermindert achtergrondlekkage aanzienlijk zonder de servicedruk overdag te beïnvloeden.

Stromingsgemoduleerde piloten passen de uitlaatdruk in realtime aan op basis van een signaal van een debietmeter bij de inlaat van de DMA. Als de vraag toeneemt, verhoogt de pilot automatisch de uitlaatdruk om een adequate dienstdruk op het kritieke punt te handhaven; als de vraag afneemt, verlaagt de uitlaatdruk. Deze aanpak vereist een debietsignaal, maar past zich automatisch aan seizoensgebonden en dagelijkse vraagpatronen aan. Op netwerken met veel lekkage levert dit meestal nog eens 5 tot 10% minder lekkage op in vergelijking met een tijdgemoduleerde regeling.

Installatievereisten

Een filter stroomopwaarts van de PRV is essentieel, niet optioneel. Vuil dat in de pilotopeningen terechtkomt, zorgt ervoor dat de klep niet volledig of helemaal niet opent. Een Y-zeef met de juiste maaswijdte moet één tot twee pijpdiameters stroomopwaarts worden geïnstalleerd, met isolatiekleppen aan beide zijden voor reiniging zonder het systeem uit te schakelen.

Installeer isolatiekleppen stroomopwaarts en stroomafwaarts van de PRV om inspectie en onderhoud mogelijk te maken zonder het systeem af te tappen. Een bypass assemblage, bestaande uit een parallelle leiding met een handbediende globe of schuifafsluiter, zorgt ervoor dat de zone onder druk blijft tijdens onderhoud. Maak de bypassklep minstens één maat kleiner dan de hoofd-PRV om onbedoelde overdruk te voorkomen als de klep volledig wordt geopend.

Met drukmeters stroomopwaarts en stroomafwaarts van de klep, met afsluitkranen, kunnen operators de ingestelde druk controleren zonder gekalibreerde instrumenten. Neem een inbedrijfstellingsnaaldventiel stroomafwaarts van de stuurdetectieaansluiting op om de insteldruk onder stroomomstandigheden te kunnen aanpassen.

Voorbeeld uitgewerkt

Een DMA-inlaat bedient 850 serviceaansluitingen met een piekbehoefte van 28 l/s (100,8 m³/h) en een gemiddelde nachtbehoefte van 3,2 l/s. De stroomopwaartse druk varieert tussen 6,5 en 9,5 bar, afhankelijk van de pompcyclus. De vereiste uitlaatdruk is 2,8 bar, bepaald door de hoogte van het kritieke punt binnen de zone.

De maximale drukverhouding is 9,5 bar inlaat en 2,8 bar uitlaat: een verhouding van 3,4:1. Dit overschrijdt de cavitatiegrens van 3:1 enigszins. Dit overschrijdt marginaal de cavitatiegrens van 3:1, dus er moet ofwel een aangepaste stroomwegklep worden gespecificeerd, of er wordt een vaste smooropening stroomopwaarts geïnstalleerd om de inlaatdruk onder de slechtst denkbare omstandigheden tot 8,4 bar te verlagen.

Voor de dimensionering op piekdebiet met een differentieel van 6,7 bar (9,5 min 2,8) is de vereiste Kv 100,8 / √6,7 = 38,9. Een DN100 klep met een volledig geopende Kv van 65 zal dit debiet bij ongeveer 60% open doorlaten - binnen het juiste werkingsbereik. Een DN150 klep met Kv 150 zou hetzelfde debiet bij ongeveer 25% open doorlaten, waardoor deze in het erosiegevoelige, bijna gesloten bereik zou werken tijdens gemiddelde vraagomstandigheden.