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Einrichtung von Vordruckreglern: Tipps für Ingenieure von Probenahmesystemen

Vordruckregler

Einrichtung von Vordruckreglern: Tipps für Ingenieure von Probenahmesystemen

Jon Kestner, Product Manager

Vordruckregler tragen in vielen industriellen Anlagen maßgeblich dazu bei, den Druck in vorgelagerten Einrichtungen aufrechtzuerhalten und empfindliche Geräte in Probenahmesystemen zu schützen. Um den korrekten Einsatz eines Vordruckreglers zu gewährleisten, müssen Ingenieure bei der Auslegung der Probenahmesysteme jedoch einige gängige Fehler vermeiden. Hierzu gehören:

  • Nichtbeachtung der Notwendigkeit eines vorgeschalteten Durchflussbegrenzers
  • Zu hoher Durchfluss durch das Analysegerät
  • Reihenschaltung eines Druckminderers und eines Vordruckreglers ohne zwischengeschaltete Durchflussbegrenzung

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit den Best Practices rund um die Auslegung und Konstruktion von Probenahmesystemen mit Vordruckreglern. Außerdem erfahren Sie mehr darüber, wie Sie die oben aufgeführten gängigen Fehler am besten vermeiden.

Einstellung eines Vordruckreglers

Im Gegensatz zu Druckminderern sind Vordruckregler dafür zuständig, den Eingangsdruck (d. h. den Druck stromaufwärts) zu begrenzen. Sie werden in der Regel am Ende einer Leitung installiert. Druckminderer hingegen steuern den Ausgangsdruck (d. h. den Druck stromabwärts) und werden typischerweise am Anfang der Leitung verbaut. Beide Arten von Druckreglern kontrollieren den Systemdruck, indem sie eine einstellbare Feder gegen die Kraft ausgleichen, die durch den Einstelldruck entsteht.

Wenn dieses Gleichgewicht aufgrund eines Anstiegs oder Abfalls des Umgebungsdrucks nicht mehr gegeben ist, verändert das Ventil bzw. der Ventilkegel seine Position und bewegt sich entweder näher zum Ventilsitz oder weiter weg. Je nach Bewegungsrichtung des Ventils wird der Durchfluss durch den Druckregler erhöht oder begrenzt, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist.

Abbildung 1: Hier ist der typische Aufbau eines Vordruckreglers dargestellt. Der Regler sorgt für einen konstanten Druck im Analysegerät (A), indem eine bestimmte Durchflussmenge je nach Bedarf auf einen Bypass umgeleitet wird. Hierzu nutzt der Druckregler die beiden Durchflussbegrenzer (R1 und R2). Abbildung © 2013 „Industrielle Probenahmesysteme“

Abbildung 1 zeigt den typischen Aufbau eines Vordruckreglers in einem analytischen Probenahmesystem. Wenn kein Durchfluss im Analysegerät benötigt wird (siehe A in Abbildung 1), besteht die Aufgabe des Druckreglers darin, den Strom in einen Bypass umzuleiten. Bei etwaigen Druckänderungen an der Quelle passt der Druckregler auch die Menge des umgeleiteten Durchflusses an, sodass der Druck am Eingang des Druckreglers sowie die Durchflussrate im Analysegerät stets konstant sind.

Ein Vordruckregler muss in der Regel mit einer Durchflussbegrenzung (normalerweise ein Nadelventil) ausgestattet sein. Dieses wird stromaufwärts installiert, um den Eingangsdruck zu steuern (siehe R1 in Abbildung 1). Wenn es zwischen dem Vordruckregler und dem System keine Druckbegrenzung gibt (bei Gassystemen kann es auch auf einer langen Rohrleitungsstrecke zu minimalen Druckverlusten kommen), öffnet sich der Vordruckregler, lässt möglichst viel Gas durch und versucht so, den Druck stromaufwärts zu verringern. Dieser Mechanismus ist allerdings nicht wirklich effektiv. Mit einer installierten Begrenzungseinheit führt eine erhöhte Durchflussrate zu einem erhöhten Druckabfall an der Begrenzung, sodass der Druck stromabwärts verringert wird.

Ein häufiger Fehler bei der Auslegung von Probenahmesystemen ist, dass keine Durchflussbegrenzer vorgesehen werden. Dies basiert auf der fälschlichen Annahme, dass der Vordruckregler den Druck stromaufwärts direkt steuern kann. Aber ohne Durchflussbegrenzer würde sich der Druck im System bei Durchflussschwankungen nur wenig bis gar nicht ändern. Beim Versuch, die Durchflussrate zu erhöhen, würde es am Druckregler zu einer Verschwendung von Prozessfluid kommen, da sich keine Änderung des Eingangsdrucks einstellt. Infolgedessen ist der Druckregler unter Umständen vollständig geöffnet.

Ein weiterer häufiger Fehler bei der Auslegung ist eine zu hohe Durchflussrate durch den Durchflussbegrenzer des Analysegeräts (siehe R2 in Abbildung 1). Hierbei kann es passieren, dass der Eingangsdruck des Druckreglers unter den spezifizierten Einstelldruck fällt. Das kann dazu führen, dass sich der Druckregler vollständig schließt und der Entlüftungsstrom begrenzt wird. Für eine bessere Steuerung sollte die Durchflussbegrenzung stromaufwärts (R1) so ausgelegt sein, dass selbst bei maximaler Durchflussrate im Analysegerät noch eine gewisse Durchflussmenge durch den Druckregler strömt.

Um ein funktionales System wie das in Abbildung 1 einzurichten, sollten Systemingenieure wie folgt vorgehen: Zuerst sollte R2 geschlossen und R1 so eingestellt werden, dass ein ausreichender Bypass-Durchfluss für die gewünschte Reaktionszeit des Analysegeräts sichergestellt ist. Anschließend wird bei R2 die Durchflussrate für die Analyse genau angepasst. Der Bypass-Durchfluss sollte dabei in einem gleichwertigen Maß sinken. Bei Bedarf wird R1 langsam geöffnet, bis die Bypass-Durchflussrate mindestens genauso hoch ist wie der Entlüftungsstrom am Analysegerät. So kann der Druckregler seinen Eingangsdruck auch dann steuern, wenn sich der Druck an der Quelle verändert. Wenn davon auszugehen ist, dass es an der Quelle zu starken Druckveränderungen kommen wird, sollte R1 so eingestellt werden, dass beim niedrigsten zu erwartenden Druck an der Quelle eine kleine Durchflussmenge umgeleitet wird.

Dank der Druckregelung über den Vordruckregler in Kombination mit den Durchflussbegrenzern R1 und R2 kann der Durchfluss zum Analysegerät und zur Entlüftungsleitung genau geregelt werden.

Da diese drei Komponenten den Durchfluss zum Analysegerät sowie den Bypass-Durchfluss steuern, ist in der Bypass-Entlüftungsleitung weder ein Nadelventil noch eine andere Begrenzungseinheit erforderlich. Um zu überprüfen, ob eine gewisse Menge durch den Druckregler strömt und dieser den Eingangsdruck korrekt regelt, sollte allerdings ein Bypass-Durchflussmesser ohne Nadelventil vorgesehen werden.

Abbildung 2. Diese Abbildung zeigt einen häufigen Fehler, bei dem ein Druckminderer und ein Vordruckregler ohne zwischengeschalteten Durchflussbegrenzer in Reihe betrieben werden. Bei diesem Aufbau arbeiten die beiden Einheiten gegeneinander und eine effektive Druckregelung im System ist nicht möglich. Abbildung © 2013 „Industrielle Probenahmesysteme“

Reihenschaltung von Druckminderern und Vordruckreglern

Wenn ein Vordruckregler, wie in Abbildung 2 dargestellt, unmittelbar stromabwärts eines Druckminderers platziert wird, handelt es sich hier ebenfalls um einen gängigen Auslegungsfehler. Da die beiden Regler nicht gleichzeitig denselben Druck regeln können, wird einer der beiden unweigerlich eine dominantere Rolle einnehmen.

Zur Veranschaulichung bieten sich die beiden folgenden Situationen an: Erste Situation: Wenn der Einstelldruck des Vordruckreglers höher ist als der Druck aus dem vorgeschalteten Regler, bleibt der Vordruckregler geschlossen, da nicht genügend Kraft anliegt, um den Ventilkegel aus dem Sitz zu drücken und eine gewisse Durchflussmenge durch den Vordruckregler durchzulassen. In diesem Szenario gibt es keinen Bypass-Durchfluss, da der Vordruckregler geschlossen bleibt.

Zweite Situation: Der Einstelldruck des Vordruckreglers ist niedriger angesetzt. Wenn nun die Durchflussrate ansteigt, sinkt der Förderdruck des Druckminderers proportional zur Regeldifferenz des vorgeschalteten Druckreglers. Die Durchflussrate steigt deutlich an, ebenso wie der Staudruck des Vordruckreglers und dessen Eingangsdruck.

Das Ergebnis dieses Anstiegs hängt von der Einstellung der beiden Druckregler ab:

  • Wenn die Einstellungen zu nah beieinander liegen, steigt die Durchflussrate immer weiter an, bis die Regeldifferenz des Druckreglers stromaufwärts und der Staudruck des Druckreglers stromabwärts auf demselben Niveau liegen. Dies führt jedoch zu einer sehr hohen Durchflussrate.
  • Wenn die beiden Einstellungen etwas weiter voneinander entfernt sind, steigt die Durchflussrate immer weiter an, bis einer der beiden Regler die Kontrolle verliert. In diesem Fall übernimmt einer der beiden Regler die Druckregelung, während der andere die Funktion eines Durchflussbegrenzers erfüllt.

Abbildung 3. In dieser Abbildung ist zu sehen, dass der Auslegungsfehler aus Abbildung 2 dazu führt, dass die beiden Druckregler einen Zwischendruck zwischen ihren jeweiligen Einstellwerten halten – und das in Kombination mit einer hohen Durchflussrate. Abbildung © 2013 „Industrielle Probenahmesysteme“

Die Bypass-Durchflussrate ist von der Differenz zwischen den beiden Einstellwerten abhängig und steigt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den beiden Reglern eingestellt hat. Wenn der Druck stromaufwärts oder die Durchflussrate am Analysegerät schwankt, versuchen die beiden Druckregler den Druck zwischen ihren jeweiligen Einstellwerten zu halten – jedoch mit ungewissem Ergebnis. Diese Situation ist in Abbildung 3 dargestellt.

Das bedeutet nicht, dass eine Reihenschaltung der beiden Druckregler generell nicht möglich ist. Allerdings muss für eine korrekte Funktionsweise in jedem Fall ein Durchflussbegrenzer zwischengeschaltet werden. Dieses Szenario ist in Abbildung 4 dargestellt. Bei korrekter Einstellung erfüllen beide Druckregler die gewünschte Funktion und der Druck an den Ausgängen der beiden Durchflussregler ist jeweils konstant. Das konstante Druckniveau sorgt somit für eine gleichmäßige Durchflussrate und schützt das Analysegerät vor Schwankungen des Eingangs- und Ausgangsdrucks.

Abbildung 4. Hier wird veranschaulicht, wie durch Integration einer Durchflussbegrenzung zwischen dem Vordruckregler und dem Druckminderer eine effektive Druck- und Durchflussregelung erzielt werden kann. Abbildung © 2013 „Industrielle Probenahmesysteme“

Ein gut funktionierendes System

Um die korrekte Funktionsweise des Vordruckreglers sicherzustellen und zu gewährleisten, dass dieser seine Aufgabe korrekt erfüllen kann, muss das Probenahmesysteme sorgfältig ausgelegt werden. Ein zu hoher oder zu niedriger Druck kann zu Schäden oder Verzögerungen im System führen.

Bei Fragen zur Einstellung der Druckregler in Ihren Probenahmesystemen helfen wir Ihnen gerne weiter. Die Field Engineers von Swagelok kommen gerne bei Ihnen vor Ort vorbei und führen eine Bewertung Ihres Probenahmesystems durch, geben Ratschläge zur Auslegung oder unterstützen Sie bei der Fehlerbehebung. Alternativ können Sie sich in unseren Schulungsangeboten zu PASS – Process Analyzer Sampling System  oder SSM – Sampling System Problem Solving and Maintenance  einen Überblick über die Auslegung und Nutzung von Probenahmesystemen verschaffen.

Kontaktieren Sie Ihr Vertriebs- und Servicezentrum von Swagelok vor Ort

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