Waterdebietregeling – Hoe het werkt

Wat zijn flow control afsluiters?

Debietregelafsluiters zijn ontworpen om een constant, vooraf ingesteld maximaal debiet te handhaven, ongeacht schommelingen in de vraag of variërende systeemdruk. Debietbegrenzing is vereist bij de uitlaten van hoofdleidingen naar verbruikers zoals secundaire systemen (hoofdleiding naar hydrantleiding; hydrantleiding naar distributieleiding), reservoirs, enzovoort, om het voedende systeem te beschermen tegen overmatig verbruik. Het verbruik wordt bepaald door de gebruikersvraag stroomafwaarts van de debietregelafsluiter — afhankelijk van het aantal druppelaars in het veld en hun debietgegevens, het aantal gebruikers dat gelijktijdig irrigeren, en externe componenten zoals reservoirs en back-upsystemen.

Systeemdebiet in de tijd met debietbegrenzer en zonder (stippellijn)

Omdat gebruikers niet te controleren zijn, gebruiken ontwerpers debietregelafsluiters om ervoor te zorgen dat het debiet niet aanzienlijk boven het ontwerpdebiet uitkomt. Door het debiet te beperken, beschermen we het toevoersysteem tegen overmatige vraag en geven we hieraan prioriteit boven de gebruikers wanneer zij proberen meer te verbruiken dan de specificaties van het systeem toelaten.

<>

Inleiding

Modernisering van irrigatie is gericht op het besparen van water en energie door het verbeteren van de irrigatie-infrastructuur — het upgraden van overstromingsirrigatie naar onder druk staande systemen en daarmee het verhogen van de irrigatie-efficiëntie en het optimaliseren van het gebruik van bestaande watervoorraden. Het hydraulisch ontwerp van onder druk staande irrigatiesystemen is gebaseerd op twee hoofdparameters: debiet en druk. Op basis van deze parameters wordt het volledige systeemontwerp vastgesteld: pompen worden geselecteerd, het type en de maat van het filtersysteem worden bepaald, materialen en diameters van hoofd- en distributieleidingen worden gedefinieerd, evenals het vereiste aantal, de afmetingen en de locatie van reservoirs.

Door een kleinere waterafgifte over een langere periode te gebruiken, wordt het “irrigatieschema van werking” (irrigatieshifts) een belangrijk ontwerpmiddel om de benodigde energie en de diameter van leidingen & componenten in het systeem te verkleinen. De irrigatie wordt dan opgedeeld in shifts die energiebesparing en lagere initiële kosten mogelijk maken. Dit gedetailleerde ontwerp is gebaseerd op het feit dat de debiet in de hoofdleiding en het vereiste debiet per irrigatieshift bekend zijn.

Dus, als we de doorstroming in systemen met meerdere gebruikers niet beperken, zal het ongecontroleerde verbruik leiden tot een aanzienlijke drukval in het hele systeem. Dit kan resulteren in cavitatie van pompen en componenten, overbelasting van het energieverbruik, luchtvorming, vuilafzuiging, enzovoort. Een aanzienlijke afwijking van meer dan 10-15% van de bekende ontwerpwaarden voor debiet en druk zal resulteren in een irrigatiesysteem dat zeer slecht functioneert. Dit kan worden voorkomen door het toepassen van debietbeperkende afsluiters.

Een hogere veldvraag dan de ontworpen doorstroming kan optreden door:

• Leidingvulling
• Irrigatieschema’s wijzigen
• Breuk
• Filter terugspoeling
• Reservoirvulling

Toepassingen van debietregeling in irrigatiesystemen

1. Pomp- & systeembeveiliging

a) Het beperken van het debiet bij de uitlaat naar het perceel om de pomp te beschermen tegen overcapaciteit, overbelasting en cavitatie, en om het ontwerpdebiet te handhaven.
b) Het beperken van het debiet op de hoofdleiding om de pomp en het systeem te beschermen tegen overbelasting en cavitatie, zodat een vlakke pompgrafiek wordt behouden zoals weergegeven in de onderstaande grafiek. Wanneer de vraag aanzienlijk hoger is dan het ontwerp:

• De aangevoerde druk op het veld wordt verlaagd 
• Het pompwiel draait met een zeer hoge snelheid, wat cavitatie en een verticale asbelasting veroorzaakt.
• Het energieverbruik overschrijdt de ontwerpwaarden, waardoor er meer stroom wordt gebruikt en er mogelijk problemen met de pomp ontstaan door overbelasting van het elektriciteitsnet.

2. Lege regels “opvullen” regeling 

Debietregeling voor systemen die tussen irrigatiebeurten worden geleegd, zoals:

• Irrigatiemachines en center pivot-systemen
• Sprinklersystemen op hellingen
• Lagedruk niet-gecompenseerde druppelsystemen
• Pulsirrigatiesystemen  

De volgende video toont het vullingsproces van een irrigatiemachine (center pivot-systeem):

3. Debietregeling tijdens filterterugspoeling

Debietregeling om te voorkomen dat het medium uit het filter, de schermen en het mogelijke filterelement stroomt, en om instorting van het filterelement te voorkomen, naast het besparen van water en energie.

De volgende video toont verschillende regelafsluiters die nodig zijn in een filtratiesysteem, waaronder debietregelafsluiters:

4. Reservoir vullen & niveauregeling

Niveauregelafsluiters regelen wanneer het waterniveau in het reservoir daalt. Wanneer dit gebeurt terwijl het systeem in bedrijf is of irrigatie plaatsvindt, kan dit een drukval veroorzaken voor alle andere gebruikers. Door de vullingsstroom van het reservoir te beperken, beschermen we het systeem tegen dit soort drukdalingen. Bovendien biedt het gebruik van een debiet- en niveauregelafsluiter bescherming voor zowel de afsluiter als het reservoir tegen hoge vullingsstromen en cavitatieomstandigheden.

Systemen met debietregelafsluiters – Principes

1. Debietregelafsluiters reageren op een toename van de parameters die zij regelen door dicht te smoren.
2. Dit is een “progressief” proces = een toename in de vraag zorgt ervoor dat de afsluiter de doorstroming geleidelijk vermindert.
3. Hoe verder de afsluiter sluit, hoe meer de stroomafwaartse druk wordt verlaagd.
4. Wanneer de vraag lager is dan de ontwerpwaarden, opent de afsluiter volledig.

Indien het ingestelde debiet van de afsluiter gelijk is aan het ontworpen nominale debiet, zal de afsluiter voortdurend in smoormodus staan, wat leidt tot een hogere drukval (lagere stroomafwaartse druk op het veld) en zwaardere bedrijfsomstandigheden, met het risico op cavitatieschade aan de afsluiter.

Zie de grafiek links, die het effect laat zien van consumenten met een hogere vraag (lichtblauw gebied) op de stroomafwaartse druk van de afsluiter (paarse lijn) wanneer de afsluiter smoort om de vooraf ingestelde doorstroming (blauwe lijn) te behouden. Let op: de gestreepte paarse lijn toont de stroomafwaartse druk zonder debietregeling; de paarse lijn geeft de druk weer, de blauwe lijn geeft het debiet weer.

Enkele goede redenen om 10-15% boven de ontwerpdoorstroming te kalibreren:

Bermad raadt sterk aan om de debietregelingsafsluiter te kalibreren op 10-15% boven het nominale ontwerpdebiet van het perceel, om de volgende redenen:

1. Als de ingestelde doorstroming van de afsluiter gelijk is aan de ontworpen nominale doorstroming, zal de afsluiter voortdurend in smoormodus staan, zullen de verbruikers last hebben van een lage bedrijfsdruk en zal de afsluiter voortdurend onder zware bedrijfsomstandigheden werken.
2. De kans dat alle gebruikers van het onder druk staande irrigatiesysteem tegelijkertijd zullen irrigeren is statistisch gezien klein, waardoor het risico op overmatige vraag in het systeem, zelfs wanneer de instelling 15% boven het nominale debiet ligt, zeer onwaarschijnlijk is.
3. Ontwerpoverwegingen richten zich op energiecalculaties en het gebruik van afsluiters met minimaal drukverlies is gewenst. Het afdwingen dat de afsluiters voortdurend in regelmodus staan, verstoort en druist in tegen deze trend.
4. Als we de nominale doorstroming instellen, zal het debiet niet toenemen, zelfs niet bij een breuk in het perceel, waardoor de systeemcontroller een breuk niet kan detecteren en alarmeren.

Debietregelafsluiter – Veelvoorkomende debietsensoren & regelmethoden

1. Opstroomorifice als debietsensor

Bevestigd aan de afsluiter aan de stroomopwaartse zijde, is de bewerkte orificeplaat gedimensioneerd om een bekend drukverschil te creëren bij een bepaald debiet.

Bermad Model 470-U debietregelafsluiter met ΔP orifice debietsensor. Door dit drukverschil te meten, stuurt de pilot de hoofdafsluiter aan:

• Als deze ΔP stijgt door een toename in de vraag, stuurt de pilot de hoofdafsluiter aan om te smoren en de doorstroming te beperken tot de ingestelde waarde van de pilot. Daalt de ΔP door een afname van de vraag, dan stuurt de pilot de afsluiter volledig open.
• De minimaal berekende ΔP over de orifice is 3-4 m om binnen het gevoeligheidsbereik van de pilot te blijven, wat resulteert in een extra drukverlies van ongeveer 2-3 m per debietregelafsluiter.
• Het instelbereik is ongeveer +20%, aangezien dit een verhoogd drukverlies over de bewerkte orifice veroorzaakt.
  
  
  

2. Drukverschilbuis (interne “TubeOrifice”) als debietsensor

De interne drukverschilbuis is in feite een intern apparaat, geïnstalleerd in de afsluiter, ontworpen om een bekend drukverschil te detecteren bij een bepaald debiet. De voordelen van de TubeOrifice ten opzichte van de standaard orifice zijn:

• Het is geïntegreerd in de afsluiter
• Het extra drukverlies is iets kleiner; verder zijn de werkingsprincipes van debietregelafsluiters met een “TubeOrifice” debietsensor identiek aan die met een externe ΔP orifice debietsensor.

3. Stroomafwaartse orifice als debietsensor (voor reservoirvultoepassingen)

Geplaatst aan de uitlaatzijde van de afsluiter kan het drukverschil over de orifice worden bepaald door alleen de inlaatdruk van de orifice te regelen, aangezien de druk aan de uitlaatzijde van de orifice constant is en gelijk aan het waterniveau in het reservoir. De afsluiter beperkt de vulling van het reservoir eenvoudigweg door de druk stroomopwaarts van de orifice (tussen de orifice en de afsluiter) te verlagen, waardoor consumenten voorrang krijgen boven het vullen van het reservoir en niveaucontrole en bescherming tegen cavitatie van de afsluiter worden geboden.

4. Paddle-type pilot als debietsensor

Geschroefd op een speciale poort op het afsluiterhuis biedt de paddle-type pilot 3-weg (of 2/3-weg) debietregelingsmogelijkheden. Geplaatst in de stroming is de paddle van de pilot ontworpen om het krachtverschil te detecteren dat samenhangt met de stroomsnelheid die tegen de paddle “aanslaat”. De afwijking van de paddle ten opzichte van de “verticale positie” bepaalt de status van de pilotregeling om de afsluiter te smoren of te openen. De afbeelding toont een Bermad debietregelingshydrometer model 970-55 met paddle-type pilot als debietsensor.

• Als de vraag toeneemt, stijgt de stroomsnelheid — waardoor de paddle wordt weggeduwd zodat de pilot de afsluiter regelt om te smoren en de doorstroming beperkt tot de ingestelde waarde van de pilot. Als de vraag afneemt, daalt de stroomsnelheid, waardoor de pilotveer de paddle terug naar de verticale positie duwt en de pilot de afsluiter volledig opent.
• Deze methode gaat gepaard met een zeer lage drukval (vergeleken met differentiële druksensoren) en met een zeer breed instelbereik dat eenvoudig in het veld kan worden aangepast.

Opmerking: Voor stroomsnelheden onder 1 m/s wordt een 2/3-weg servo paddle-type pilot aanbevolen.

Debietregelafsluiters – Projectinstallaties

Outletbeheersysteem Orissa, India

De onderstaande foto’s tonen een typisch outlet management systeem in India, uitgerust met debietregeling en drukreducerende veldafsluiters (Bermad model IR-2″L-172). Elke afsluiter regelt de irrigatie van een perceel dat toebehoort aan een andere boer. Het project omvat 726 Outlet Management Systemen (OMS), elk voorzien van een afsluiter, steenvangerfilter, ontluchter, veldregelafsluiter en automatisering.

De stroming wordt geregeld door 3-weg Paddle-type pilots.

Bermad is de hoofdleverancier voor dit lopende project met ongeveer 3.500 polymeer afsluiters; elk werd getest en gekalibreerd volgens de ontwerpeisen in de Bermad fabriek.

De afbeelding links toont het Bermad Model IR-172 debietregel- en drukreducerende afsluiter op de testbank voor testen en kalibratie; de afbeelding rechts toont de OMS-installatie op locatie, Orissa, India.

Case Study: CCRR Callen in Spanje

CCRR Callen in Spanje is een irrigatieconsortium van 1.872 ha met 70 gebruikers die maïs, gerst, tarwe en luzerne verbouwen. Het consortium wilde zijn irrigatie-infrastructuur moderniseren omdat deze verouderd, inefficiënt en arbeidsintensief in gebruik was.

Bermad’s geïntegreerde irrigatieoplossing voor Callen omvatte een hoofdleiding & drukstootoplossingen, evenals op afstand bedienbare drukreducerende en debietregelende hydrometers IR-972 voor elk perceel.

Het consortium bestuurt elke hydrometer op afstand volgens de geplande irrigatieschema’s.

De debietregelende hydrometers IR-972 met paddle-type pilot worden geïnstalleerd bij de irrigatieaanvoer om te regelen:

• Normale irrigatie: Zorgen dat de systeemdruk en componenten (pompen, leidingen, filters, afsluiters, ontluchters) de ontwerpeisen niet overschrijden.
• Leidingvulling: Beperk de vulsnelheid van de leiding, voorkom drukval in het toevoersysteem en mogelijke waterslag die gepaard gaat met een hoge snelheid aan het einde van het vullingsproces.
• Breuk: Zorgt ervoor dat het systeem blijft functioneren, zelfs bij een leidingbreuk aan de kant van de boer.

hbspt.cta._relativeUrls=true;hbspt.cta.load(2377786, ‘9956d38d-94ca-43d8-a7a8-6d1f496fab3a’, {“useNewLoader”:”true”,”region”:”na1″});