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Sep 11, 2023

Wichtige Überlegungen bei der Spezifikation von Regelventilen

1. März 2017 | Von Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

1. März 2017 | Von Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

Befolgen Sie diese Anleitung, um ein Regelventil während der Entwurfsphase genau zu spezifizieren

Regelventile gehören zu den am häufigsten verwendeten und wichtigsten Instrumenten in der chemischen Prozessindustrie (CPI). Sie tragen dazu bei, einen reibungslosen und effizienten Betrieb von Prozessanlagen sicherzustellen, indem sie durch die Regulierung des Flüssigkeitsflusses in angeschlossenen Rohren die gewünschten Betriebsparameter erreichen. Die Notwendigkeit, Regelventile während der Entwurfsphase einer Anlage richtig zu spezifizieren, kann nicht genug betont werden.

Die Größe eines Steuerventils wird von einem Parameter namens Durchflusskoeffizient (C v) abgeleitet, der als Volumendurchfluss (in Gallonen/min) von Wasser durch das Ventil bei 60 °F definiert ist, wenn der Druckabfall am Ventil 1 psi beträgt (C v wird anhand der Formel berechnet, die in der Norm ISA-75.01.01-2007 angegeben ist). Prozessingenieure sollten bei der Spezifikation von Regelventilen die folgenden Aspekte berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die von den Anbietern hergestellten Ventile gemäß den Anforderungen funktionieren.

1. Kontrollierbarkeit. Bei der Spezifizierung eines Regelventils während der Entwurfsphase sollte der Prozessingenieur sicherstellen, dass die Regelbarkeit des Ventils über den gesamten Bereich zwischen minimalen und maximalen Durchflussraten gut sein muss. Dies kann durch Schätzung des maximalen C v und des minimalen C v erfolgen, die jeweils der maximalen Durchflussrate und der minimalen Durchflussrate entsprechen. Im Allgemeinen gilt die Steuerbarkeit eines Steuerventils als akzeptabel, wenn sein Stellweg bei maximalem Durchfluss 90 % des Nennhubs nicht überschreitet und wenn der Hub bei minimalem Durchfluss im Bereich von 10–20 % des Nennhubs liegt. Dies bedeutet, dass das Verhältnis des geschätzten maximalen C v zum geschätzten minimalen C v vorzugsweise nicht mehr als 15 betragen sollte. Wenn das Verhältnis diesen Wert weit überschreitet, kann der Hub bei minimalem Durchfluss weniger als 10 % des Nennhubs oder des Hubs bei maximalem Durchfluss betragen Der Durchfluss kann mehr als 90 % des Nennhubs betragen – beide Szenarien bedeuten eine schlechte Steuerbarkeit des Ventils. In diesem Fall sollte der Druckabfall am Steuerventil erhöht werden, damit das Zielverhältnis gesenkt werden kann, wie in Gleichung (1) dargestellt. Für inkompressible Flüssigkeiten ist das Verhältnis von maximalem C v zu minimalem C v durch Gleichung (1) gegeben:

ABBILDUNG 1. Hier ist ein typischer Regelventilkreis dargestellt, der in den Beschreibungen im Haupttext zur Veranschaulichung verwendet wird

Abbildung 1 zeigt einen typischen Regelventilkreis. Die folgenden Hinweise ergänzen die Erläuterung:

Wenn in Abbildung 1 x der Druckabfall über dem Steuerventilkreis P 1 ABP 2 und y der Druckabfall über dem Steuerventil AB für maximalen Durchfluss ist, dann ist der Druckabfall im verbleibenden Teil des Kreises (bestehend aus der Rohre, Armaturen, Wärmetauscher, Strömungselemente und mehr; dargestellt durch die Segmente P 1 A und BP 2) ist x–y für maximalen Durchfluss.

Wenn r das Verhältnis von maximalem zu minimalem Durchfluss ist und z der Druckabfall im Kreislauf P 1 ABP 2 bei minimalem Durchfluss ist, dann – unter Vernachlässigung des Höhenunterschieds zwischen P 1 und P 2 – Druckabfall im anderen Teil des Kreislaufs als das Steuerventil (d. h. P 1 A und BP 2) bei minimalem Durchfluss beträgt ungefähr = (x–y)/r 2.

Der Druckabfall am Steuerventil AB bei minimalem Durchfluss beträgt ungefähr:

Aus Gleichung (1) und Gleichung (2) beträgt (C v) max /(C v) min ungefähr:

Aus Gleichung (3) lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

(C v) max /(C v) min beträgt ungefähr = [1 + (3,84 x/ y)] 0,5, was bedeutet, dass (C v) max /(C v) min ungefähr 3,5 beträgt, für einen x/y-Wert von 3,0. Ein (C v) max/(C v) min-Wert nahe 3,5 entspricht einer einigermaßen guten Steuerbarkeit. Daher lässt sich sagen, dass für eine gute Steuerbarkeit der Druckabfall am Steuerventil etwa ein Drittel des gesamten dynamischen Druckabfalls im Kreislauf bei maximalem Durchfluss betragen sollte, wenn der maximale und minimale Durchfluss 110 % bzw. 50 % des Normalwerts betragen fließen.

Obwohl Gleichung (3) für inkompressible Flüssigkeiten gilt, gelten die obigen Ergebnisse im Allgemeinen auch für komprimierbare Flüssigkeiten.

2. Kavitation. Wenn Flüssigkeit durch ein Steuerventil fließt, entsteht der minimale Druck an der Vena Contracta, und dann steigt der Druck entlang des Strömungswegs an, bis die Flüssigkeit den Auslass des Steuerventils erreicht. Die Vena Contracta ist der Punkt im Strömungsweg, an dem die Strömungsfläche minimal, die Geschwindigkeit maximal und damit der Druck minimal ist [1]. Wenn bei Flüssigkeiten der Druck an der Vena Contracta geringer ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit, bilden sich Dampfblasen. Hinter der Vena Contracta findet eine Druckwiederherstellung statt, wodurch am Ventilausgang ein höherer Druck herrscht als an der Vena Contracta. Übersteigt der Druck am Ausgang des Regelventils den Dampfdruck, kondensiert der Dampf und die Blasen kollabieren. Wenn Blasen kollabieren, kommt es zu Stößen auf den Ventilkörper und zu Geräuschen. Dieses Phänomen wird Kavitation genannt.

Vollständige Kavitation tritt auf, wenn der Druckabfall am Steuerventil größer oder gleich einem bestimmten Mindestdruckabfall (oder kritischen Druckabfall) ist und der Druck am Auslass des Steuerventils höher ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit. Somit liegt eine vollständige Kavitation vor, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind [ 2]:

Wo:

P 1 = Absolutdruck am Eingang des Steuerventils

P 2 = Absolutdruck am Ausgang des Steuerventils

FL = Flüssigkeitsdruck-Erholungsfaktor, wie definiert durch:

P vc = Absoluter Druck an der Vena Contracta

FF = Kritischer Flüssigkeitsdruckverhältnisfaktor

FF = 0,96–0,28 ( P v / P c) 0,5

P c = Absoluter thermodynamischer kritischer Druck der Flüssigkeit

P v = Absoluter Dampfdruck der Flüssigkeit bei Eintrittstemperatur

Der genaue Wert von FL für ein bestimmtes Ventil kann nur im Spezifikationsblatt des Ventilherstellers verfügbar sein, ein Richtwert kann jedoch während der Konstruktion aus dem Herstellerkatalog, aus ISA-75.01.01-2007 oder aus anderer Regelventilliteratur ermittelt werden Phase.

Prozessingenieure sollten versuchen, die Möglichkeit von Kavitation bei der Spezifikation von Regelventilen zu minimieren. Dies kann auf folgende Weise erfolgen:

Es ist unbedingt erforderlich, den thermodynamischen kritischen Druck und den Dampfdruck der Flüssigkeit im Prozessdatenblatt eines Regelventils für eine Flüssigkeit anzugeben, damit das Auftreten der Kavitation beurteilt werden kann. Vollständige Kavitation führt zu einer Drosselung der Strömung und tritt auf, wenn ∆ P ≥ FL 2 ( P 1 – FFP v). Es kann jedoch zu teilweiser Kavitation kommen, ohne dass es zu einer Drosselung der Strömung kommt, wenn der Druckabfall kleiner als der kritische Druckabfall, aber größer als ∆ P ist, beginnende Kavitation [2], wobei:

∆ P beginnende Kavitation =

Wo:

K c = Der Koeffizient der beginnenden Kavitation, der kleiner als FL [2] ist.

3. Mehrere Betriebsfälle. Während ein Regelventil im Allgemeinen für drei Fälle spezifiziert ist – minimale, normale und maximale Durchflussraten mit entsprechendem Druckabfall – kann es mehr als drei Betriebsfälle geben. In solchen Situationen sollten die normale Durchflussrate und der entsprechende Druckabfall entsprechend dem normalen Betriebsfall angegeben werden, während andere Betriebsfälle (falls es mehr als zwei gibt) auf zwei Fälle eingegrenzt werden sollten. Bei der Eingrenzung der Betriebsfälle sollte C v für jeden Fall geschätzt werden. Dann sollten minimale und maximale Durchflussraten (und entsprechende Druckabfälle) so angegeben werden, dass sie dem minimalen und maximalen C v des Steuerventils entsprechen, und der C v für alle anderen Fälle sollte zwischen dem minimalen C v und liegen maximaler Cv. Da der tatsächliche Cv nicht verfügbar ist, wenn ein Regelventil spezifiziert ist, sollte der geschätzte Cv verwendet werden.

4. Auswahl des Ventiltyps. Absperrklappen, die kompakt sind und in der Regel relativ kostengünstig sind, sind oft die erste Wahl. Einschränkungen können jedoch etwas anderes vorschreiben. Wenn beispielsweise ein hoher Druckabfall über dem Ventil erforderlich ist, ist ein Durchgangsventil möglicherweise die bessere Wahl. Da der Widerstand eines Kugelventils höher ist als der eines Absperrventils, kann bei einem Kugelventil mit angemessener Größe ein höherer Druckabfall erzielt werden.

Bei Flüssigkeitsanwendungen kann ein hoher Druckabfall zu Kavitation führen. Da der Druckrückgewinnungsfaktor bei Kugelventilen tendenziell höher ist als bei anderen Ventilarten, kann Kavitation durch den Einsatz von Kugelventilen häufig vermieden werden.

Bei Gasen kann ein hoher Druckabfall zu Drosselströmungen führen, die zu übermäßigem Lärm führen können. Durch den Einsatz einer käfiggeführten Innengarnitur kann der Lärm bei einem Durchgangsventil minimiert werden. Wenn jedoch der verfügbare Druckabfall über dem Ventil gering ist, kann eine Absperrklappe die bevorzugte Wahl sein.

In der Zwischenzeit können Kugelhähne mit V-Kerbe bevorzugt werden, wenn ein hoher Stellbereich erforderlich ist. Standard-Kugelhähne mit runden Öffnungen werden im Allgemeinen für Auf-Zu-Anwendungen verwendet. Tabelle 1 enthält Richtlinien zur Ventilauswahl.

5. Leckageklasse. Die zulässige Leckage am Steuerventilsitz wird anhand der Leckageklasse ANSI/FCI 70-02-2006 angegeben. Diese Norm erkennt sechs Klassen zulässiger Sitzleckagen an (Klasse I, II, III, IV, V und VI). Klasse I bedeutet höchste zulässige Leckage; Klasse VI bedeutet die geringste zulässige Leckage [3]. Im Allgemeinen sind Regelventile für CPI-Anwendungen mit der Leckageklasse IV spezifiziert. In Situationen, in denen eine dichte Absperrung erforderlich ist, sollte jedoch mindestens Klasse V angegeben werden. Wenn ein Steuerventil zu einer Fackel abfließt oder den Brennstofffluss zum Brenner eines befeuerten Heizgeräts oder Ofens steuert (ein/aus), sollte es mit einer Leckage der Klasse VI spezifiziert werden.

6. Strömungseigenschaften. Die häufigsten Arten inhärenter Strömungseigenschaften sind die folgenden [1]:

Die Durchflusscharakteristik eines Ventils hängt von seiner Innengarniturkonstruktion ab. Während Kugelhähne und Absperrklappen feste Eigenschaften haben, können Kugelhähne je nach Kegel- oder Käfigkonstruktion jede der drei Eigenschaften haben.

Die Art der Durchflusscharakteristik sollte im Prozessdatenblatt unter Berücksichtigung des zu steuernden Parameters oder des Druckabfallszenarios im System angegeben werden. Für die Durchfluss- oder Füllstandsregelung sollte grundsätzlich eine lineare Kennlinie vorgegeben werden. Im Allgemeinen sollte eine lineare Kennlinie auch dann angegeben werden, wenn der größte Teil des Druckabfalls (als Anteil des Gesamtdruckabfalls im System) über das Ventil selbst erfolgt, sodass der Druckabfall über das Ventil bei variierenden Durchflussraten nahezu konstant bleibt. Für die Druckregelung oder wenn ein hoher Anteil des Gesamtdruckabfalls in einem anderen System als dem Ventil auftritt (d. h. in Rohren, Armaturen, Geräten usw.), sollte eine gleichprozentige Kennlinie angegeben werden. Es sollte auch angegeben werden, wo der Druckabfall am Ventil bei variierender Durchflussrate variiert. Für On-Off-Anwendungen sollte eine Schnellöffnungscharakteristik vorgegeben werden. Wie in den meisten gängigen Systemen variiert der Druckabfall am Steuerventil erheblich mit der Durchflussrate, daher werden am häufigsten gleichprozentige Durchflusseigenschaften angegeben [1].

Herausgegeben von Suzanne Shelley

1. Emerson Process Management, „Control Valve Handbook“, 4. Auflage, S. 18, S. 101-1 33–36, S. 46, S. S. 59–60. 109–110, S. 136.

2. „Masoneilan Handbook for Control Valve Sizing“, 7. Auflage, S. 7–8, S. 10, 1987.

3. American National Standard, Control Valve Seat Leakage, ANSI/FCI 70-2-2006, Cleveland, Fluid Controls Institute, Inc., p. 2, 2006.

Satyendra Kumar Singh ist General Manager (Abteilungsleiter) – Prozess für Simon India Limited (Mehtab House, A-36, Ground Floor, Mohan Co-operative Industrial Estate, New Delhi-110044, Indien; E-Mail: [email protected]; [email protected]). Er verfügt über mehr als 24 Jahre Erfahrung in der technischen Beratung und im technischen Beschaffungswesen in den Bereichen Erdölraffinierung, Petrochemie, Chemie, Öl und Gas sowie Ammoniak. Singh hat einen Bachelor of Technology (Honours) in chemischer Technologie vom Harcourt Butler Technological Institute (Kanpur, Indien) und einen Master of Business Administration von der Indira Gandhi National Open University (Neu-Delhi, Indien). Er ist zugelassener Ingenieur (Indien) und Fellow der Institution of Engineers (Indien); und hat zahlreiche Aufsätze zu Management- und Ingenieurthemen veröffentlicht.