הקטנת לחץ וקוויטציה – התשובות לשאלותיך

אופטימיזציה של ערכי לחץ וספיקה היא חלק בלתי נפרד מתכנון מערכת השקיה. עם תנודות קבועות ולעיתים דרמטיות בזרימת הביקוש ובלחץ האספקה, יש להבטיח שמגופים ורכיבים נוספים יספקו 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 (PRVs) היעילים ביותר לביצועים ארוכי טווח ולחיסכון בעלויות.

במהלך הוובינר נענו שאלות בנוגע לתיאוריית הקוויטציה, שחיקה, מהירות, ΔP ולפרקטיקה של סינון, שילוב והקצאה יעילים של מגופי בקרה מקטיני לחץ:

ש: מה ההבדל בין מגופי מקטין לחץ למגופי מקטין לחץ יחסי?

ת: מגופי מקטיני לחץ (PRV) הם מגופים הניתנים לכיול, ומיועדים להקטין באופן רציף לחץ גבוה במעלה הזרם ללחץ נמוך וקבוע במורד הזרם, ללא תלות בשינויים בלחץ במעלה הזרם ו/או בספיקת הביקוש.

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

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

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

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

ש: האם ניתן להשתמש במגופי הקטנת לחץ להקטנת לחץ סטטי? האם מגוף מקטין לחץ פועל בתנאי אפס זרימה?

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

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

ת: מקטיני לחץ ישיר עשויים לפעול מהר יותר ממקטיני לחץ הידראוליים, אך הם נחותים באופן ברור מבחינת הפסדי עומד, תכונות נוספות (אפילו פתיחה/סגירה), רגישות, דיוק, תחזוקה, ועדיין נדרש מגוף פורק לחץ להגנה על המערכת במקרה שמקטיני הלחץ הישיר ייתקעו או לא יאטמו כראוי.

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

ש: כיוונו מגוף מקטין לחץ (PRV) בלחץ P1 כדי לשמור על לחץ P2 הנדרש. 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 שהמערכת שומרת אוטומטית על לחץ P2? בנוסף, מה יקרה לספיקה כאשר P1 משתנה?

ת: מגופי מקטין לחץ נשלטים באופן רציף על ידי נווט מקטין לחץ החש רק את P2. שינויים בביקוש ו/או ב-P1 המשפיעים 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 פתחי המערכת והמתזים, ולא על ידי מגוף מקטין הלחץ (PRV). למעשה, מגוף מקטין הלחץ מתאים אוטומטית את שיעור הפתיחה שלו לדרישה בפועל (ול-P1), כך שהוא לעולם אינו "פתוח מדי" או "סגור מדי" ותמיד שומר על לחץ ה-P2 שנקבע.

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

ת: מעגל תלת-דרכי מאופיין בכך שהנווט “בוחר” את מסלול המים: P1 ללולאת פיקוד (סגירה) או לולאת פיקוד לניקוז (פתיחה). הדבר מוביל לשימוש בנפח מים קטן מאוד בלולאת הפיקוד ומביא לשני מצבי פעולה שונים:

• היסטרזיס (כאשר נדרש שינוי מסוים ש"יצטבר" 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 שעלול לגרום לאי יציבות. ניתן לפתור זאת בקלות על ידי התקנת טפטוף או הגבלה אחרת בקצה צינור הניקוז.

 

<>

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

ת: לולאת פיקוד דו-דרכית מאופיינת בזרימה רציפה מ-P1 דרך היצרות אל תא הבקרה, כאשר הנווט "מחבר" את תא הבקרה לצד המורד של המגוף, ומשחרר את לחץ התא כל עוד המגוף פתוח. הדבר מוביל לנפח מים גבוה יחסית בלולאת הפיקוד (0.2-0.5 מ"ק/שעה; 0.9-2.2 גלון לדקה) וכתוצאה מכך לרגישות למים מלוכלכים עם ההתנהגויות ההידראוליות המפורטות להלן:

• היסטרזיס כמעט אפסית, שכן תנועת הנווט הנדרשת להגדלת (פתיחה) או הקטנת (סגירה) ספיקת השחרור היא זניחה ולכן מיידית. למרות שמדובר ביתרון, לעיתים הרגישות גבוהה מדי וגורמת לתופעת "צידוד".
• הפסד עומד נוסף (3-5 מטר; 4.4-7 psi) שנוצר עקב כוח הקפיץ + P2 בתא הבקרה. הפסד עומד נוסף זה נעלם כאשר מהירות הזרימה במגוף עולה על ~2 מטר לשנייה; 6.6 רגל לשנייה וכוח פתיחת המגוף (עקב ΔP) עולה על כוח הקפיץ של המגוף הראשי.

ש: מהם הקריטריונים לקביעת גודל היצרות כניסת המעגל בלולאת פיקוד דו-דרכית?

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

ש: לאילו סוגי יישומים ניתן להשתמש במגופי מקטין לחץ יחסי?

ת: קווים במורד הגרביטציה ו/או כאשר נדרש ΔP גבוה ומחייב הקטנת לחץ בשני שלבים, על מנת להגן על המגופים 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 שבירת לחץ), אילו סוגי מגופי מקטין לחץ (PRV) ניתן להשתמש? האם תוכלו להרחיב בנושא זה?

ת: הפתרון המומלץ להחלפת מיכלי שבירת לחץ (PBTs) הוא שימוש במקטיני לחץ יחסי (PPRVs), שלהם 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 מקטין הלחץ היחסי (PPRV) הוא קבוע, כאשר לחץ המעלה יורד עקב הפסדי חיכוך בקו, גם לחץ המורד יורד. מאחר שספיקת ההשקיה משתנה, יש למקם את מקטיני הלחץ היחסי (PPRV) בהתאם להפרשי הגבהים (לחץ מעלה מרבי) ולגובה בפועל בספיקה/הפסד חיכוך מרביים (לחץ מעלה מינימלי). מכיוון שכל מקטין לחץ יחסי (PPRV) קובע את הלחץ למקטין הבא – חישוב התכנון מעט מאתגר. ברמד פיתחה קובץ אקסל הלוקח בחשבון את כל 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 הלחץ במורד הזרם (P2). הספיקה נקבעת לפי צריכת המים של המערכת במורד מהמקטין (מטפטפים, מאגרים, יישובים וכו'). אם ספיקת הביקוש עולה ו-P2 יורד, המקטין "ינסה" להעלות את P2 חזרה לערך הכיול על ידי פתיחה (הזרמת יותר מים). אם ספיקת הביקוש יורדת ו-P2 עולה, המקטין ייסגר חלקית כדי להוריד את P2 חזרה לערך הכיול (הזרמת פחות מים).
• ניתן להמיר את מקטין הלחץ (PRV) למגוף בקרת ספיקה (FCV) או להוסיף תכונת בקרת ספיקה למקטין הלחץ, וכך להפוך אותו למגוף מקטין לחץ ובקרת ספיקה.
• מגוף בקרת ספיקה (FCV) דומה מאוד למגוף מקטין לחץ (PRV), אך במקום למדוד את לחץ היציאה (P2), נווט ה-FCV מודד הפרש לחצים (ΔP) או הפרש ספיקה (ΔF) – שהם ה”ביטוי ההידראולי” של הספיקה – על פני נחיר היצרות, 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, וה-FCV ייסגר בהדרגה כדי להגביל את הספיקה חזרה לערך הכיול.
  

  

• הוספת תכונת בקרת ספיקה למקטין לחץ (PRV) והפיכתו למגוף מקטין לחץ ובקרת ספיקה משמעותה שישנם שני נווטים שונים על אותו מגוף. אחד מהם שולט בספיקה על סמך חישת ΔP או ΔF לאורך המגוף
• צלחת נחיר, צינור פיטו או לשונית; החיישן השני מודד את P2 ושולט במגוף בהתאם.
  

  אם הביקוש יעלה ו-P2 ירד, נווט הספיקה ישלוט 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 ההפחתה ישלוט ויווסת את סגירת המגוף.

  
  

<>

• כאשר נווט הספיקה שולט, המגוף נסגר, וכתוצאה מכך P2 יורד לעיתים מתחת לערך הכיול של נווט ההפחתה, שאינו שולט במגוף ואינו יכול להעלות את P2 כל עוד הביקוש גבוה מערך הכיול של נווט הספיקה. מסיבה זו, 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 (חלקות) 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 מתבצעת בלחץ ומבוצעת באמצעות טפטוף/ממטירים/מתזים (כל פולט עם ספיקת מים ידועה) או שמדובר בהשקיית הצפה שבה קצה צינור ההפצה פתוח לאטמוספירה.

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

<>  

ש: האם ניתן לשנות מרחוק את הגדרת המקטין לחץ (PRV) עבור לחץ וספיקה?

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

אפשרויות נוספות דורשות הוספת אביזרים לנווט לצורך כיול דינמי מרחוק. פעולה זו תדרוש גם בקרים מיוחדים שיאפשרו שליטה אנלוגית.

ש: מהו טווח המהלך האופטימלי של מגוף במגופי בקרה הידראוליים מקטיני לחץ?

ת: בין 15%-30% בהתאם לסוג המגוף, תנאי לחץ וספיקה, זמן הפעלה שנתי וגורמים נוספים. התקנת סגר שינוק (v-port) מאלצת את מגוף הקטנת הלחץ להיפתח יותר כדי להתמודד טוב יותר עם ספיקות נמוכות. כך המגוף נשאר פתוח בכ-15% גם כאשר מהירות הזרימה יורדת לכ-0.5 מ'/שנייה.

ש: ברשת הפצה עם שאיבה ישירה, כיצד יגיב מגוף מקטין לחץ (PRV) במקרה של הפסקת חשמל ועלייה פתאומית בלחץ מעלה? האם הוא יוכל לשמור על לחץ P2 במורד?

ת: מדובר בנושא מורכב, שכן הפסקות חשמל הן אירוע רב-תסריטי. בהנחה שהשאלה מתייחסת למקטין לחץ (PRV) באחד מפתחי היציאה מקו ראשי שמחבר משאבה למאגר, ניתן לצפות שה-PRV ייפתח כאשר הלחץ יורד עקב גל שלילי. במקרה כזה, סביר להניח שהוא לא ייסגר מספיק מהר כדי לשמור על P2 אם יגיע גל חיובי.

ש: האם ניתן להשתמש במגוף מסדרת 400 (חד-נפחי, תצורת גלוב) ליישומי הקטנת לחץ? אם כן, האם הוא יהיה רגיש יותר לקוויטציה בהשוואה למגופי תצורת Y (סדרות 100 ו-700)?

ת: סדרת 400 יכולה לשמש ליישומי הקטנת לחץ. למעשה, רוב יישומי מגופי מקטין לחץ ממתכת בהשקיה מבוצעים על ידי סדרת IR-400 או מגופים חד-נפחיים אחרים. סדרת IR-400 אינה כוללת תושבת מוגבהת, מה שהופך אותה לפחות עמידה לנזקי קוויטציה לעומת סדרת IR-100, בשל היותה עשויה מחומר מרוכב, ולעומת סדרת 700-00 הכוללת תושבת נירוסטה מוגבהת. תצורת Y תורמת גם היא לעמידות טובה יותר בפני קוויטציה ולביצועי ספיקות טובים בכ-25% לעומת גלובים סטנדרטיים.

hbspt.cta._relativeUrls=true;hbspt.cta.load(2377786, '15c4f5d2-dd4d-497d-a39e-2137ccffbc5b', {"useNewLoader":"true","region":"na1"});