הקטנת לחץ וקוויטציה – התשובות לשאלותיך

אופטימיזציה של ערכי לחץ וספיקה היא חלק בלתי נפרד מתכנון מערכת השקיה. עם תנודות קבועות ולעיתים דרמטיות בספיקה הנדרשת ובלחץ האספקה, מגופים ורכיבים נוספים חייבים להבטיח בקרה דינמית של לחץ וספיקה בכל המערכת.

<>

בוובינר של ברמד, "הפחתת לחץ ומניעת קוויטציה במערכות השקיה", מנהל יחידת ההשקיה הגלובלית שלנו, יפתח עינב, הציג את עקרונות, השיטות, המערכות והפתרונות של ברמד להפחתת לחץ ומניעת קוויטציה. יפתח שיתף תובנות שימושיות לגבי בחירת מגופי מקטין לחץ (PRV) היעילים ביותר לביצועים ארוכי טווח ולחיסכון בעלויות. 

במהלך הוובינר נענו שאלות בנוגע לתיאוריה של קוויטציה, שחיקה, מהירות, ΔP ולפרקטיקה של סינון, שילוב והקצאה יעילים של מגופי הקטנת לחץ בלולאת פיקוד:

ש: מה ההבדל בין מגופי הקטנת לחץ לבין מגופי הקטנת לחץ פרופורציונליים?

ת: מגופי הקטנת לחץ (PRV) הם מגופים מתכווננים, המיועדים להקטין באופן רציף לחץ מעלה גבוה ללחץ מורד קבוע ונמוך יותר, ללא תלות בשינויים בלחץ מעלה ו/או בספיקה הנדרשת.

מגופי הקטנת לחץ פרופורציונליים (PPRVs) אינם כוללים נווט ולכן אינם ניתנים לכיול. בהתבסס על היחס בין שטחי הדיאפרגמה והסגר שלהם, PPRVs מקטינים באופן רציף לחץ מעלה גבוה ללחץ מורד נמוך ביחס קבוע.

רק מגופים דו-נפחיים יכולים לשמש כמקטיני לחץ ושומרי לחץ (PPRV).

ש: עבור כל המידות, האם מקדם ההפחתה PD הוא 2.5?

ת: מקדם ההפחתה של PD הוא 2.5 ברוב הסדרות והמידות; עם זאת, מקדם ההפחתה עשוי להשתנות וניתן למצוא אותו באתר שלנו, במחירונים ובדפי המוצרים הרלוונטיים. יש לעיין בטבלת מקדמי ההפחתה הרלוונטית לכל קוטר מגוף ולכל סדרת מגופים (100, 700).

ש: האם ניתן להשתמש במגופי הקטנת לחץ להקטנת לחץ סטטי? האם מקטין לחץ פועל גם בתנאי אפס ספיקה?

ת: כן. כאשר ספיקת הביקוש יורדת לאפס, ברגע מסוים הספיקה המגיעה לקו דרך מגוף מקטין הלחץ (PRV) גדולה מהספיקה היוצאת מהקו (שהיא אפס). כתוצאה מכך – הלחץ מצטבר ועולה מעט בקו במורד מגוף מקטין הלחץ. נווט ה-PRV חש בלחץ הגבוה מהכיול וסוגר את מגוף מקטין הלחץ, "מנסה" להחזיר את הלחץ לערך הכיול. מאחר שהספיקה היא אפס (סוף קו), גם כאשר המגוף אטום לחלוטין, הלחץ יישאר מעט מעל ערך הכיול (בהנחה שאין דליפות), מה שמבטיח שמגוף מקטין הלחץ יישאר סגור.

ש: נטען כי לא תמיד ניתן למגוף מקטין לחץ (PRV) לשמור על לחץ P2 כאשר הזרימה נעצרת בפתאומיות, בהשוואה למקטין לחץ ישיר. לשם כך נדרש פורק לחץ במורד ה-PRV. מה תגובתך לטענה זו?

ת: מקטיני לחץ ישירים עשויים לפעול מהר יותר ממקטיני לחץ הידראוליים, אך הם נחותים באופן ברור בהפסד עומד, תכונות נוספות (אפילו סגירה/פתיחה), רגישות, דיוק, תחזוקה, ועדיין נדרש פורק לחץ להגנה על המערכת במקרה שמקטיני הלחץ הישירים נתקעים או לא נאטמים.

להאצת זמן התגובה, ניתן להוסיף נווט לחץ מורד או, עדיף, להשתמש במגוף דו-נפחי מקטין לחץ.

ש: כיוונו מגוף ויסות לחץ (PRV) ב-P1 כדי לשמור על P2 נדרש. במצב זה, P1 הוא לפי התכנון (תאורטית) אך בפועל P1 משתנה עקב הפעלה חלקית של האזור, שינוי בביקוש, הפעלת משאבה או דליפה. מהו לחץ P2 במצב זה? האם הוא משתנה (עולה)? האם יש צורך להגיע שוב לאתר כדי לכוון את הלחץ או שהוא שומר אוטומטית על לחץ P2? בנוסף, מה יקרה לספיקה כאשר P1 משתנה?

ת: מגופי מקטין לחץ נשלטים באופן רציף על ידי נווט מקטין לחץ שמודד אך ורק את P2. שינויים בדרישה ו/או ב-P1 שמשפיעים על P2 מזוהים מיד על ידי הנווט וגורמים לרכיביו הפנימיים לשנות את מיקומם ולווסת מידית את סגירת המגוף (@ עליית P2) או פתיחתו (@ ירידת P2) עד להגעה לכיול הנווט.

הספיקה נקבעת על ידי הפולטים ופתחי המערכת, ולא על ידי מגוף מקטין הלחץ (PRV). למעשה, מגוף מקטין הלחץ מתאים אוטומטית את שיעור הפתיחה שלו לדרישה בפועל (& P1), כך שהוא לעולם אינו "פתוח מדי" או "סגור מדי" ותמיד שומר על לחץ P2 שנקבע.

ש: מהם ההבדלים המעשיים בין מגופי מקטין לחץ עם לולאת פיקוד דו-דרכית ותלת-דרכית? מאחר שלולאה תלת-דרכית מנוקזת לאטמוספירה, האם הדבר ישפיע על יציבות הוויסות של מגוף מופעל דיאפרגמה?

א: מעגל תלת-דרכי מאופיין בכך שהנווט "בוחר" את מסלול המים: P1 לפיקוד (סגירה) או פיקוד לניקוז (פתיחה). הדבר מוביל לשימוש בנפח מים קטן מאוד בלולאת הפיקוד ומביא לשני מאפייני פעולה שונים:

• היסטרזיס (כאשר נדרש שינוי מסוים שיצטבר לפני שהמעברים בנווט "מחליפים מצב"), אשר נחשב לפחות רגיש אך בנווטים איכותיים הוא קטן מספיק. לעיתים היסטרזיס עצמו חיוני כדי למנוע תנודות לחץ בקו על ידי "שבירת" שרשרת התגובות במערכת.
• פתיחה מלאה בהפרש לחצים (כאשר הנווט מנקז, "מבטל" את כל כוחות הסגירה), דבר המאפשר חיסכון באנרגיה. הניקוז לאטמוספירה לעיתים גורם לפתיחה מהירה מדי, מה שמוביל לאי יציבות. ניתן לפתור זאת בקלות על ידי התקנת טפטוף או הגבלה אחרת בקצה צינור הניקוז.

 

<>

ש: מהו הפסד הלחץ (+/-) דרך לולאת פיקוד דו-דרכית?

א: לולאת פיקוד דו-דרכית מאופיינת בזרימה רציפה מ-P1 דרך היצרות אל תא הבקרה, כאשר הנווט "מחבר" את תא הבקרה אל מורד המגוף, ומשחרר לחץ מהתא כל עוד המגוף פתוח. הדבר מוביל לנפח מים גבוה יחסית בלולאת הפיקוד (0.2-0.5 מ"ק/שעה; 0.9-2.2 ג"ל/דקה) וכתוצאה מכך לרגישות למים מלוכלכים עם ההתנהגויות ההידראוליות הבאות:

• היסטרזיס כמעט אפסי, שכן מהלך הנווט הנדרש להגדלת (פתיחה) או הקטנת (סגירה) שחרור הספיקה הוא זניח ולכן מיידי. למרות שמדובר ביתרון, לעיתים הרגישות גבוהה מדי וגורמת לתופעת חיפוש.
• הפסד עומד נוסף (3-5 מ'; 4.4-7 Psi) נוצר עקב כוח הקפיץ + P2 בתא הבקרה. הפסד עומד זה נעלם כאשר מהירות הספיקה במגוף עולה על ~2 מ'/ש'; 6.6f/s וכוח פתיחת המגוף (עקב ΔP) עולה על כוח הקפיץ של המגוף הראשי.

ש: מהם הקריטריונים לקביעת גודל היצרות הכניסה ללולאת פיקוד דו-דרכית?

ת: היצרות לולאת פיקוד דו-דרכית צריכה להיות קטנה יותר מנתיב המים בנווט, כדי לאפשר ויסות יציב ומדויק יחד עם הפסד עומד מוסף מינימלי וזמן תגובה מספק. ניתן לומר שהקריטריון הוא גודל נתיב המים בנווט, אשר קשור לגודל המגוף.

ש: לאילו סוגי יישומים ניתן להשתמש במגופי הקטנת לחץ פרופורציונליים?

א: קווים בירידת מפלס (גרביטציה) ו/או כאשר נדרש ΔP גבוה ומומלץ לבצע הפחתת לחץ דו-שלבית להגנה על מגופים משחיקה וקוויטציה ולספק הגנה נוספת למערכת.

ש: בעת אספקה במורד מגובה ממאגר איזון למספר מאגרי השקיה קטנים (כלומר, פריקה ישירה לאטמוספירה כפי שמוסבר במקרה של מאגרי ניתוק לחץ), אילו סוגי מגופי מקטין לחץ (PRV) ניתן להשתמש? האם תוכל להרחיב בנושא?

ת: הפתרון המומלץ להחלפת מכלי שבירת לחץ (PBTs) הוא יישום מגופי מקטין לחץ ישיר (PPRVs) אשר מעניקים את היתרונות הבאים:

• אין מגופי בקרה למפלס
• תשתית חסכונית בעלות
• אין לחץ "0" במורד הזרם
• תגובה מיידית – דו-נפחי
• ללא צורך בתחזוקה – ללא נווטים, היצרויות או מסננים
• ללא זיהום

עם זאת, מאחר שיחס ההפחתה של PPRV הוא קבוע, כאשר לחץ המעלה יורד עקב הפסדי חיכוך בקו, גם לחץ המורד יורד. מאחר שדרישת הספיקה להשקיה משתנה, יש למקם את ה-PPRV בהתאם להפרשי הגבהים (לחץ מעלה מרבי) ובהתאם לעומד בפועל בספיקה/הפסד חיכוך מרביים (לחץ מעלה מינימלי). מכיוון שכל PPRV קובע את הלחץ ל-PPRV הבא – חישוב התכנון מעט מאתגר. חברת ברמד פיתחה קובץ אקסל המתחשב בכל הפרמטרים ככלי עזר לתכנון.

ש: אילו היצרויות יש להשתמש עבור PPRVs?
ת: PPRVs אינם דורשים היצרויות כלשהן.

ש: האם ניתן לתכנן מגוף מקטין לחץ כך שהמשתנה יהיה הספיקה ולא לחץ היציאה? האם ניתן להשתמש במגוף הגבלת/בקרת ספיקה כאופציה למגוף מקטין לחץ במקרים מסוימים, כגון קו גרביטציה?

ת: יש לשקול מספר נושאים בנוגע ללחץ ולספיקה במגופי מקטין לחץ:

• מגופי הקטנת לחץ חשים רק את לחץ המורד (P2). הספיקה נקבעת לפי צריכת המים של המערכת במורד מה-PRV (מטפטפים, מאגרים, כפרים וכו'). אם ספיקת הביקוש תעלה ו-P2 ירד, ה-PRV "ינסה" להעלות את P2 חזרה לערך הכיול על ידי פתיחה (הזרמת יותר מים). אם ספיקת הביקוש תרד ו-P2 יעלה, ה-PRV ייסגר בהדרגה כדי להקטין את P2 חזרה לערך הכיול (הזרמת פחות מים).
• ניתן להמיר את המקטין לחץ למגוף בקרת ספיקה (FCV) או להוסיף תכונת בקרת ספיקה למקטין לחץ, וכך להפוך אותו למגוף מקטין לחץ ובקרת ספיקה.
• מגוף בקרת ספיקה (FCV) דומה מאוד למקטין לחץ (PRV), אך במקום לחוש את לחץ היציאה (P2), נווט בקרת הספיקה (FCV pilot) חש בהפרש לחצים (ΔP) או בהפרש ספיקה (ΔF) – שהם ה”ביטוי” ההידראולי של הספיקה – בין שני צדדיו של אוריפיס, צינור פיטו או לשונית הממוקמים בתוך הזרימה. אם הביקוש יעלה מעל ערך הכיול (גם כאשר הלחץ נמוך), עליית מהירות הזרימה תגדיל את ΔP או את ΔF, והמגוף יסגור באופן מדורג כדי להגביל את הספיקה לערך הכיול.
  

  

• הוספת תכונת בקרת ספיקה למקטין לחץ (PRV) והפיכתו למגוף מקטין לחץ ובקרת ספיקה משמעותה שיש לנו שני נווטים שונים על אותו מגוף. אחד מהם שולט בספיקה בהתבסס על חישה של ΔP או ΔF לאורך
• אוריפיס, צינור פיטו או לשונית; השני מודד את P2 ושולט במגוף בהתאם.
  

  אם הביקוש יעלה ו-P2 ירד, נווט הספיקה ייקח שליטה כדי להגביל את הספיקה חזרה לערך הכיול. אם הביקוש ירד, נווט הספיקה יאפשר למגוף להיפתח. אם P2 יעלה, עקב עלייה ב-P1 או ירידת ביקוש, נווט ההקטנה ייקח שליטה ויווסת את סגירת המגוף.

  
  

<>

• כאשר נווט הספיקה שולט, המגוף נסגר, וכתוצאה מכך P2 יורד לעיתים מתחת לכיול של נווט ההקטנה, שאינו שולט במגוף ואינו יכול להעלות את P2 כל עוד הביקוש גבוה מהגדרת נווט הספיקה. לכן מומלץ לכייל את נווט הספיקה ב-15-20% מעל הספיקה הנומינלית של הקו.

ש: התקנו ארבעה מגופים בכניסת הצ'אק (הבלוק הראשי) כאשר לחץ הכניסה (P1) הוא 60 מטר, ולארבעת מגופי תת-הצ'אק (החלקות) יש דרישות לחץ שונות (P2) (כלומר, P2 עבור מגוף 1 = 35 מטר, מגוף 2 = 25 מטר, מגוף 3 = 45 מטר, מגוף 4 = 50 מטר). אורך, קוטר וגובה צינור ההפצה של תת-הצ'אק משתנים, אך נדרשת אותה ספיקה בקצה האחרון של כל יציאת תת-הצ'אק. האם ניתן לשמור על אותה ספיקה בקצה האחרון של יציאת תת-הצ'אק כאשר P1 קבוע, אך P2 משתנה?

ת: התשובה תלויה בשאלה האם ההשקיה בונה לחץ ומבוצעת באמצעות טפטוף/ממטירים/מתזים (כל פולט עם ספיקה ידועה) או שמדובר בהשקיה בהצפה שבה קצה צינור ההפצה פתוח לאטמוספירה.

• בהשקיית MIS בלחץ, הספיקה נקבעת על פי סך הספיקות המצטברות של כל הטפטפות בתת-החלקה ונשמרת כל עוד לחץ P2 בהתאם לתכנון ולא התרחשה פריצה.
• בהשקיה בהצפה, הקטנת לחץ אינה רלוונטית כיוון שקצה הקו פתוח. הפתרון הנכון הוא מגוף בקרת ספיקה, אשר ישאיר לחץ נמוך בקו ההפצה (הפסד עומד בספיקה נתונה + גובה).

<>  

ש: האם ניתן לשנות מרחוק את הגדרת מגוף ה-PRV ללחץ וספיקה?

ת: מגופי הקטנת לחץ (וכל מגופי הבקרה ההידראוליים) יכולים לקבל שני נווטים מכוילים ללחצים שונים. התקנת סולנואיד לבחירה בין הנווטים תאפשר מעבר מרחוק בין מצבי לחץ.

אפשרויות נוספות דורשות הוספת התקנים על הנווט כדי לאפשר כיול דינמי מרחוק. בנוסף, יידרשו בקרים מיוחדים כדי לאפשר בקרה אנלוגית.

ש: מהו הטווח האופטימלי למהלך מגוף במגופי הקטנת לחץ הידראוליים?

ת: בין 15%-30% בהתאם לסוג המגוף, לחץ ותנאי ספיקה, זמן הפעלה שנתי וגורמים נוספים. שימוש בסגר V-port מאלץ את מגוף הקטנת הלחץ להיפתח יותר כדי להתמודד טוב יותר עם ספיקות נמוכות. כך המגוף נשאר פתוח בכ~15% גם כאשר מהירות הספיקה יורדת לכ~0.5 מ'/שנייה.

ש: ברשת הפצה עם שאיבה ישירה, כיצד יגיב מגוף מקטין לחץ (PRV) כאשר מתרחשת הפסקת חשמל ולחץ מעלה עולה בפתאומיות? האם הוא יוכל לשמור על לחץ מורד (P2)?

ת: זה מורכב, כיוון שנפילות מתח הן אירוע רב-תרחישי. בהנחה שהשאלה מתייחסת למקטין לחץ (PRV) באחד מיציאות קו ראשי המחבר משאבה למאגר, ניתן לצפות שה-PRV ייפתח כאשר הלחץ יורד עקב גל שלילי. במקרה כזה, הוא כנראה לא ייסגר מספיק מהר כדי לשמור על P2 אם יגיע גל חיובי.

ש: האם ניתן להשתמש במגוף מסדרת 400 (תא יחיד, תצורת גלובוס) ליישומי הקטנת לחץ? אם כן, האם הוא יהיה רגיש יותר לקוויטציה בהשוואה למגופים בתצורת Y (סדרות 100 ו-700)?

ת: סדרת 400 יכולה לשמש ליישומי הקטנת לחץ. למעשה, רוב יישומי מגוף מקטין לחץ מתכתי בהשקיה מבוצעים באמצעות סדרת IR-400 או מגופים חד-נפחיים אחרים. סדרת IR-400 אינה כוללת תושבת מורמת, מה שהופך אותה לפחות עמידה בפני נזקי קוויטציה לעומת סדרת IR-100, בשל היותה עשויה מחומר מרוכב, ו-סדרת IR-700 הכוללת תושבת נירוסטה מורמת. תצורת Y תורמת גם היא לעמידות טובה יותר בפני קוויטציה ולביצועי ספיקה טובים בכ-25% לעומת מגופים גלוב סטנדרטיים.