制御弁設置ゲイン計算の使用

制御バルブの設置ゲインを計算するワークシートは、制御バルブの選択プロセスの一部として使用できます。 この記事はもともと InTech マガジン 2021 年 12 月号に掲載されたものです。

長年にわたり、著者は、制御弁の選択プロセスの一部として、制御弁に取り付けられた流量およびゲインのグラフを使用し、その使用を推進してきました (参考文献 1 ～ 3)。 長年にわたり、著者は、流量およびゲインのグラフ作成機能を備えた公的に入手可能な制御バルブのサイジング アプリケーションを提供するバルブ メーカーと提携するという恩恵を受けてきました。 他のブランドの制御バルブ、つまりそれらのメーカーの制御バルブサイジングアプリケーションを好むユーザーは、新しいアプリケーションを使用してグラフ作成機能を活用する方法を学ぶことに躊躇していました。最近、著者は構築のための詳細な手順を含む記事を公開しました。任意のバルブ サイジング アプリケーションで行われたバルブ サイジングの計算と連動して、設置された流量グラフとゲイン グラフを生成する Microsoft Excel ワークシート。 これにより、設置流量とゲインのグラフをバルブ選択プロセスに組み込むことが誰にとっても実用的になります (参考文献 4)。 この記事では、調節弁設置ゲイン計算の使用方法について説明します。

極端に低いゲインは望ましくありません。ゲインが低いということは、バルブが動いても流量があまり変化しないことを意味するからです。 高ゲインがなぜ望ましくないのかは、それほど明らかではないかもしれません。 高ゲインのオーディオアンプが望ましい場合があります。 しかし、調節弁は機械装置であり、接触しながら動く部品は、動いていないときに固着する傾向があります。 バルブが動いていないときに固着する傾向があるため、目的の位置の 2% 以内にしか配置できず、ゲインが 4 の場合、流量は 8% ステップ以内でしか調整できず、これは望ましくない可能性があります。 必要な流量範囲内のゲイン変更を 2:1 に制限する理由は、必要な流量範囲全体で安定した高速応答を実現するためにコントローラーを調整しやすくするためです。リファレンス 4 を使用して設置流量とゲインを計算およびグラフ化するには、ワークシート、プロセス モデル、およびワークシートには、プロセスに関する次の情報が必要です。

最小および最大設計流量における P1 および P2 の値は、制御弁の上流および下流のシステム内の摩擦圧力損失と静圧変化の解析によって取得する必要があります (参考文献 5 ～ 6)。参考文献 4 は、いくつかの提案を促しました。インストールされたフローおよびゲイン グラフ分析の候補となるアプリケーションについての問い合わせ。 以下に最も一般的なものをいくつか示します。

図 2 は、ユーザーの Excel 制御バルブ サイズ設定ワークシートを示しています。 計算された CV 範囲は、6 インチセグメントのボール制御バルブが最小設計流量から最大設計流量まで約 20% ～ 78% の開度で動作することを示しているようです。 設置された流量とゲインの計算により、驚くべき結果が得られました (図 3)。

設置された流量グラフは、最小指定流量が設置された流量グラフと 20% の相対移動で交差し、最大設計流量が設置された流量グラフと 80% の相対移動の少し下で交差することを示しており、これはユーザーの計算と一致します。 ユーザーの計算では示されていないのは、バルブの完全に開いた流量の 95% が最大設計流量であり、上限には安全係数が残されていないということです。約 60% の移動量 (相対移動量 0.6) で、取り付けられた流量グラフは丸まり始めます。かなり浅い斜面へ。 この事実は、設置ゲイン グラフで確認され、設置ゲインが 0.5 未満に低下し、バルブ位置の変化がシステム内の流れに与える影響はわずかであるという事実が強調されています。 最大設計流量 (Q/Qmax) からのゲイン変化とグラフ上の最大ゲインは 4:1 より大きいため、高速で安定した制御を実現するためにコントローラーを調整することが困難になります。 問題はユーザーのポンプの選択にあることが判明しました。

参考文献 4 には、P1 と P2 に何が起こっているか、つまりバルブに利用可能な圧力差をグラフ化する機能は含まれていません。 ただし、参考資料 4 のワークシートには P1 と P2 の表が含まれているため、P1 と P2 対相対バルブ トラベルのグラフを作成するのは簡単でした。 設置圧力レベルのグラフでは、バルブの相対移動量が 0.8 (バルブ移動量の 80%) に近づくと、バルブで利用可能な圧力降下が急速に減少します。

ユーザーは、ヘッドカーブがわずかに高く、平坦なポンプを見つけました。 上流システムの新しい分析により、図 4 の赤色で示す P1 と DELTA P の修正値が得られました。これらの新しい P1 と DELTA P の値をユーザーのバルブサイジング プログラムとリファレンス 4 ワークシートに入力すると、図 4 のグラフが得られます。 4. バルブは現在、25% ～ 75% の移動量で動作しています。 最大設計流量は全開流量の 80% 未満となり、範囲の上限に十分な安全率が与えられます。 インストールされたゲイン グラフははるかに平坦で、推奨制限内に十分収まっています。

図 5 は、システム設計者が、設置された流量グラフとゲイン グラフを検査し、セグメント バルブが適切な選択であると判断した後、10 インチのセグメント ボール バルブを推奨したアプリケーションに基づいています。 購入代理店は、10 インチの高性能バタフライ バルブのコストはセグメント ボール バルブに比べて約 3 分の 1 であるとコメントしました。 システム設計者は、2 つのバルブ スタイルがまったく異なる固有の流量特性を持っていることを知って、高性能バタフライ バルブの適用可能性を調査することに同意しました。 セグメントボールバルブは、ほぼ完全なイコールパーセンテージ特性を持つ傾向があります。 高性能バタフライ バルブは、線形と等パーセントの間の固有の流量特性を持つ傾向があります。

制御バルブのサイズを決定する際に使用する圧力降下に関して疑問が生じました。 すでに設計されたシステムを想定すると、サイジング圧力を任意に割り当てることはできませんが、制御の上流と下流のシステム内の摩擦圧力損失と静圧変化を解析して P1 と P2 の値を求める必要があります。バルブ。 理想的な状況は、制御バルブを選択する人が、制御バルブの圧力降下がどの程度になるかを決定する発言権を持ち、多くの場合、使用するポンプを指定することです。 適切と考えられるさまざまなポンプの設置ゲイン解析を使用すると役立ちます。これをどのように実行できるかを示すために、図 6 に示すシステムで考えられる 3 つのポンプを検討します。エネルギー消費を最小限に抑えながら満足のいく制御性を実現できるポンプは、選ばれる。 3 つのポンプのそれぞれについて、バルブのすぐ上流の圧力である P1 の曲線が、通常の流量 400 gpm でそれぞれに必要な動力とともに示されています。 これらの曲線は、100 gpm のポンプ ヘッド (ポンプ A、B、C ではそれぞれ 45、60、75 psig) から 5 つの要素の複合効果により 10 psi 低い圧力までの流量の 2 乗に比例して下向きに傾斜しています。図に示されているように、上流配管内の圧力損失とポンプ ヘッドの 100 gpm から 600 gpm への 5 psi の減少が示されています。 P2 の曲線 (制御バルブ出口の圧力) は、非常に低い流量でのタンクの静水頭 10 psig で始まり、下流の配管と熱交換器の圧力損失が所定の値まで増加するにつれて、流量の 2 乗の 30 psig に比例して増加します。 600gpm値。

制御バルブの圧力降下（P1 と P2 の差）は、100 gpm の場合は図の左側に、600 gpm の場合は図の右側に矢印で示されています。 解析はセグメントボールバルブの使用に基づいて実行されます。 図 6 の左下のグラフは、計算された設置流量特性を示しています。 参照 4 グラフのワークシートによって生成されたインストール済みフロー グラフは相対フローであるため、1.0 は完全に開いたフローの 100% であり、3 つのケースごとに異なることに注意してください。 興味深いのは、インストールされているゲイン グラフです。17 馬力ポンプでは、より高価な 6 インチのバルブが必要になるだけでなく、ゲイン グラフがひどいものに見えます。 設置されているゲインは 3 つの中で最も高く (同じバルブ位置誤差に対する流量誤差が大きくなることを意味します)、最大設計流量 (Q/Qmax スケールの 1.0 の赤い縦線) に近づくと 0.4 に低下します。流量範囲にわたるゲインの変動はほぼ 7:1 であり、推奨値の 2:1 よりもはるかに大きくなります。 これは十分に大きいため、必要な流量範囲全体にわたって良好で安定した制御を提供する比例・積分・微分 (PID) 調整パラメーターを考え出すのは困難です。 23 馬力ポンプと 29 馬力ポンプのゲイン グラフは推奨ゲイン基準の範囲内にありますが、23 馬力ポンプが勝者です。これは、そのゲインが 1.0 に近く、また 2 つのポンプの方が経済的であるためです。 .参考文献

1. Monsen、Jon、「経験則」、「フロー制御」、2012 年 11 月、24 ～ 262 ページ。 Monsen、Jon、An Insider's Guide to Installed Gain as a Control Valve Sizing Criterion、Flow Control、2015 年 5 月、22 ～ 25.3 ページ。 Monsen、Jon、Modern Tools for Sizing Control Valves & Actuators、Processing、2018 年 1 月、12-144 ページ。 Monsen, Jon、Calculation the Installed Flow and Gain of a Control Valve、Process Instrumentation、2021 年 3 月、26 ～ 30 ページ。 （参考資料に記載のワークシートと拡張版をご用意しております。） ５． Jessee, Peter、「制御バルブのサイジングのための圧力降下の決定」、「Flow Control」、2000 年 8 月、12 ～ 14.6 ページ。 Coggan, D.A. 編、「Fundamentals of Industrial Control」、第 2 版、ノースカロライナ州リサーチ トライアングル パーク: 計測、システム、オートメーション協会 (ISA) (現在の国際オートメーション協会 - ISA)、2004 年。 278～280。

この記事はもともと InTech マガジン 2021 年 12 月号に掲載されたものです。

Jon F. Monsen 博士、PE は、Valin Corp. の制御弁技術コンサルタントであり、制御弁に関する ISA Practical Guides Book の「Computerized Control Valve Sizing」の章の著者であり、書籍「Control Valve」の著者でもあります。応用技術: 適切な制御弁を適切に選択するための技術と考慮事項。 40 年以上の経験を活かし、調節弁の用途とサイジングについて国内外で講演しており、調節弁を指定または使用する人向けに無料の情報と Excel ワークシートを提供する Web サイトを運営しています。

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