Expertenleitfaden: Backpressure-Regler-Setup für Probenahme-Ingenieure

Backpressure-Regler-Einrichtung: Tipps für Probenahme-System-Ingenieure

Jon Kestner, Product Manager

Backpressure-Regler (Gegendruckregler) spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Einlassdrucks und dem Schutz empfindlicher Geräte in Probenahmesystemen, die in vielen Industrieanlagen eingesetzt werden. Um einen Backpressure-Regler richtig einzusetzen, müssen Probenahme-System-Ingenieure jedoch vor einigen häufigen Designfehlern gewarnt sein. Dazu gehören:

• Die Wichtigkeit eines stromaufwärtigen Strömungswiderstands (Flow-Restrictive Device) übersehen
• Zu viel Durchfluss durch den Analysator zulassen
• Einen Druckminderer in Reihe mit einem Backpressure-Regler platzieren, ohne Strömungswiderstand dazwischen

In diesem Blogbeitrag besprechen wir Best Practices für das Design und den Aufbau eines Probenahmesystems mit einem Backpressure-Regler und wie Sie diese häufigen Designfehler vermeiden.

Einrichtung eines Backpressure-Reglers

Im Gegensatz zu Druckminderern regelt ein Backpressure-Regler den Einlassdruck (stromaufwärtigen Druck) und wird meist am Ende einer Leitung installiert. Ein Druckminderer hingegen regelt den Auslassdruck (stromabwärtigen Druck) und wird meist am Anfang einer Leitung installiert. Beide Reglerarten arbeiten daran, die durch den Systemdruck entstehenden Kräfte mit der Federkraft auszugleichen, die beim Einstellen des Sollwerts entsteht.

Wird dieses Gleichgewicht durch externen Druckanstieg oder -abfall gestört, bewegt sich das Ventil oder der Ventilkegel (Poppet) entweder näher an oder weiter vom Sitz weg. Je nach Art der Ventilbewegung lässt dies den Durchfluss durch das Reglerorifizium leichter oder schwerer zu, bis der Regler das Gleichgewicht wiederherstellt.

Abbildung 1 zeigt ein typisches Backpressure-Regler-Setup für ein analytisches Probenahmesystem. Wenn Durchfluss vorhanden ist, der nicht vom Analysator genutzt wird (siehe A in Abbildung 1), besteht die Aufgabe des Reglers darin, diesen Durchfluss in einen Bypass umzuleiten. Ändert sich der Quelldruck, ändert der Regler auch die Menge des umgeleiteten Durchflusses, um sicherzustellen, dass konstanter Druck am Regler-Einlass herrscht und damit ein konstanter Durchfluss den Analysator erreicht.

Ein Backpressure-Regler benötigt einen Strömungswiderstand (typischerweise ein Nadelventil) stromaufwärts, um den Einlassdruck zu managen (siehe R1 in Abbildung 1). Fehlt eine Beschränkung zwischen Backpressure-Regler und System (selbst eine lange Rohrleitung kann in Gassystemen minimalen Druckabfall haben), öffnet der Backpressure-Regler weit, um genug Gas zu bewegen, um den stromaufwärtigen Druck abzusenken. Das ist nicht effektiv. Mit einem Widerstand hingegen führt der erhöhte Durchfluss zu einem erhöhten Druckabfall über diesem Widerstand, was hilft, den Druck stromabwärts abzusenken.

Ein Fehler, den Probenahme-System-Designer oft machen, ist das Weglassen der Strömungswiderstände, in der Annahme, der Backpressure-Regler könne den stromaufwärtigen Druck direkt regeln. Ohne den Widerstand würde sich bei Systemdurchflussänderungen der Druck kaum ändern. Der Regler würde weiterhin Prozessfluid verschwenden, um den Durchfluss zu erhöhen, während der Einlassdruck, den er zu regeln versucht, keine Änderung zeigt. Dies kann dazu führen, dass der Regler voll öffnet.

Ein zu großer Durchfluss durch den Analysatorwiderstand (siehe R2 in Abbildung 1) ist ein weiterer Designfehler, da er den Einlassdruck des Reglers unter seinen Sollwert fallen lassen kann. Dies kann dazu führen, dass der Regler komplett schließt und den Entlüftungsdurchfluss beschränkt. Für bessere Regelung sollte der stromaufwärtige Strömungswiderstand (R1) so dimensioniert sein, dass selbst bei maximalem Analysatordurchfluss noch etwas Durchfluss durch den Regler geht.

Um ein funktionales System wie in Abbildung 1 einzurichten, sollten Systemdesigner zunächst R2 schließen, R1 so einstellen, dass der Bypass-Durchfluss für die gewünschte Analysator-Reaktionszeit ausreicht, und dann R2 für den gewünschten Analysatordurchfluss feinjustieren. Der Bypass-Durchfluss sollte automatisch um den gleichen Betrag sinken. Falls nötig, öffnen Sie R1 langsam, bis der Bypass-Durchfluss mindestens so schnell ist wie der Analysator-Entlüftungsdurchfluss. Dies ermöglicht dem Regler, seinen Einlassdruck zu regeln, wenn sich der Quelldruck ändert. Erwarten Sie weite Quelldruckschwankungen, stellen Sie R1 so ein, dass bei niedrigstem erwartetem Quelldruck noch ein geringer Bypass-Durchfluss entsteht.

Mit dem durch den Backpressure-Regler in Kombination mit den Strömungswiderständen R1 und R2 geregelten Druck können wir den Durchfluss zum Analysator und zur Entlüftungsleitung steuern.

Da diese drei Komponenten den Durchfluss zum Analysator und den Bypass-Durchfluss steuern, ist ein Nadelventil oder anderes Restriktionsgerät in der Bypass-Entlüftungsleitung nicht erforderlich. Ein Bypass-Durchflussmesser ohne Nadelventil ist jedoch nützlich, um zu bestätigen, dass der Regler etwas Durchfluss passieren lässt und seinen Einlassdruck regelt.

Druckminderer und Backpressure-Regler in Reihe

Wie in Abbildung 2 gezeigt, tritt ein weiterer Designfehler auf, wenn ein Backpressure-Regler unmittelbar nach einem Druckminderer platziert wird. Da zwei Regler nicht denselben Druck regeln können – einer von ihnen muss verlieren.

Zur Demonstration betrachten wir zwei Situationen. Erstens: Liegt der Sollwert des Backpressure-Reglers höher als der Druck, der vom stromaufwärtigen Regler hereinkommt, bleibt er geschlossen, da nicht genügend Kraft vorhanden ist, um den Backpressure-Poppet vom Sitz zu heben und Durchfluss zuzulassen. In diesem Szenario gibt es keinen Bypass-Durchfluss, da der Backpressure-Regler geschlossen bleibt.

In der zweiten Situation ist der Sollwert des Backpressure-Reglers niedriger. Da der Durchfluss nun steigt, sinkt der Auslassdruck des Druckminderers gemäß dessen Droop-Kurve. Die Durchflussrate steigt drastisch, treibt den Backpressure-Regler seine Akkumulationskurve hinauf und erhöht dessen Einlassdruck.

Das Ergebnis dieses Anstiegs hängt von den Einstellungen der beiden Regler ab:

• Sind die beiden Einstellungen nah beieinander, steigt die Durchflussrate, bis der Droop-Druck aus dem ersten Regler dem Akkumulationsdruck in den zweiten entspricht. Dies resultiert jedoch in einer sehr hohen Durchflussrate.
• Sind die Einstellungen weiter auseinander, steigt die Durchflussrate, bis der Regler nicht mehr regelt. Ein Regler wird den Druck regeln, der andere wird zum Strömungswiderstand.

Der Bypass-Durchfluss hängt von der Differenz der beiden Sollwerte ab. Er steigt, bis die Regler „einen Waffenstillstand erklären“. Ändert sich der stromaufwärtige Druck oder der Analysatordurchfluss, versuchen die beiden Regler, einen intermediären Druck zwischen ihren Sollwerten zu halten – mit ungewissen Ergebnissen. Dies ist in Abbildung 3 illustriert.

Das bedeutet nicht, dass die beiden Regler nicht in Reihe funktionieren können, aber der einzige Weg für erfolgreiches Funktionieren ist ein Strömungswiderstand dazwischen. Abbildung 4 zeigt dieses Szenario: Unter korrekten Einstellungen arbeiten beide Regler wie vorgesehen, und der Druck ist an jedem Ende der beiden Widerstände konstant. Diese Druckkonstanz ermöglicht stetigen Durchfluss und schützt den Analysator vor Schwankungen von Quell- und Entlüftungsdruck.

Ein ordnungsgemäß funktionierendes System

Um die ordnungsgemäße Funktion eines Backpressure-Reglers zu garantieren, muss das Probenahmesystem sorgfältig designed werden, damit der Regler seine Aufgabe der Druckregelung erfüllt. Zu hoher oder zu niedriger Druck kann Schäden oder Verzögerungen im System verursachen.

Haben Sie Fragen beim Einrichten von Reglern in Ihren Probenahmesystemen? Wir können helfen. Swagelok Field Engineers können Ihre Anlage besuchen, Ihr Probenahmesystem evaluieren, zum Design beraten oder Probleme beheben. Alternativ können Sie alles über Probenahmesystem-Design und -Nutzung in unseren Process Analyzer Sampling System (PASS)- oder Sampling System Problem Solving and Maintenance (SSM)-Schulungskursen lernen.