Verwendung von Verstärkungsberechnungen für installierte Steuerventile

Ein Arbeitsblatt, das die installierte Regelventilverstärkung berechnet, kann Teil jedes Regelventilauswahlprozesses sein. Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Dezemberausgabe 2021 des InTech-Magazins veröffentlicht.

Seit vielen Jahren verwendet und fördert der Autor die Verwendung von Durchfluss- und Verstärkungsdiagrammen für installierte Regelventile als Teil des Auswahlprozesses für Regelventile (Referenzen 1–3). In all diesen Jahren hatte der Autor den Vorteil, mit einem Ventilhersteller zusammenzuarbeiten, der über eine öffentlich verfügbare Anwendung zur Auslegung von Regelventilen verfügt, die die Möglichkeit zur grafischen Darstellung des installierten Durchflusses und der Verstärkung umfasst. Benutzer, die Regelventile anderer Marken und somit die Regelventildimensionierungsanwendungen dieser Hersteller bevorzugten, zögerten, den Umgang mit einer neuen Anwendung zu erlernen, um von der grafischen Darstellungsfunktion zu profitieren. Kürzlich veröffentlichte der Autor einen Artikel mit detaillierten Konstruktionsanweisungen ein Microsoft Excel-Arbeitsblatt, das installierte Durchfluss- und Verstärkungsdiagramme in Verbindung mit Ventildimensionierungsberechnungen generiert, die mit einer beliebigen Ventildimensionierungsanwendung durchgeführt werden. Dies macht es für jeden praktisch, die grafische Darstellung des installierten Durchflusses und der Verstärkung in seinen Ventilauswahlprozess einzubeziehen (Referenz 4). In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie die Verstärkungsberechnungen für installierte Steuerventile verwenden.

Extrem niedrige Verstärkungen sind unerwünscht, da eine niedrige Verstärkung bedeutet, dass sich der Durchfluss nicht wesentlich ändert, wenn sich das Ventil bewegt. Es ist möglicherweise nicht so offensichtlich, warum hohe Gewinne unerwünscht sind. Ein Audioverstärker mit hoher Verstärkung kann wünschenswert sein. Aber Steuerventile sind mechanische Geräte und Teile, die sich bewegen, während sie miteinander in Kontakt stehen, neigen dazu, festzukleben, wenn sie sich nicht bewegen. Wenn ein Ventil nur innerhalb von 2 % der gewünschten Position positioniert werden kann und eine Verstärkung von 4 aufweist, da es bei Stillstand zum Hängen neigt, kann der Durchfluss nur in 8 %-Schritten angepasst werden, was möglicherweise nicht wünschenswert ist. Der Grund für die Begrenzung der Verstärkungsänderung innerhalb des erforderlichen Durchflussbereichs auf 2:1 besteht darin, dass es einfacher ist, den Regler für eine stabile und schnelle Reaktion im gesamten erforderlichen Durchflussbereich abzustimmen. Berechnung und grafische Darstellung des installierten Durchflusses und der Verstärkung anhand der Referenz 4 Das Arbeitsblatt, das Prozessmodell und das Arbeitsblatt erfordern folgende Informationen über den Prozess:

Die Werte von P1 und P2 beim minimalen und maximalen Auslegungsdurchfluss müssen durch eine Analyse der Reibungsdruckverluste und statischen Druckänderungen im System vor und nach dem Steuerventil ermittelt werden (Referenzen 5–6). Referenz 4 hat mehrere dazu aufgefordert Anfragen, welche Anwendungen für eine installierte Strömungs- und Verstärkungsdiagrammanalyse in Frage kommen. Nachfolgend sind einige der häufigsten aufgeführt.

Abbildung 2 zeigt das Excel-Arbeitsblatt zur Dimensionierung von Regelventilen eines Benutzers. Der berechnete CV-Bereich scheint zu zeigen, dass ein 6-Zoll-Segmentkugelventil bei einer Öffnung von etwa 20 % bis 78 % vom minimalen Auslegungsdurchfluss bis zum maximalen Auslegungsdurchfluss arbeiten würde. Eine installierte Durchfluss- und Verstärkungsberechnung lieferte überraschende Ergebnisse (Abbildung 3).

Das installierte Durchflussdiagramm zeigt den minimalen spezifizierten Durchfluss, der das installierte Durchflussdiagramm bei 20 % relativer Bewegung schneidet, und den maximalen Auslegungsfluss, der das installierte Durchflussdiagramm knapp unter 80 % relativer Bewegung schneidet, was mit der Berechnung des Benutzers übereinstimmt. Was die Berechnung des Benutzers nicht ergab, ist, dass 95 % des vollständig geöffneten Ventildurchflusses dem maximalen Auslegungsdurchfluss entsprechen, sodass am oberen Ende kein Sicherheitsfaktor verbleibt. Bei etwa 60 % Hub (relativer Hub von 0,6) beginnt sich das installierte Durchflussdiagramm zu runden ab zu einem viel flacheren Hang. Diese Tatsache wird im Diagramm der installierten Verstärkung deutlich, wo die installierte Verstärkung auf unter 0,5 fällt, was die Tatsache unterstreicht, dass Änderungen der Ventilposition nur einen geringen Einfluss auf den Durchfluss im System haben würden. Die Verstärkungsänderung zwischen dem maximalen Entwurfsfluss (Q/Qmax) und der maximalen Verstärkung im Diagramm ist größer als 4:1, was es schwierig macht, den Regler für eine schnelle und stabile Regelung abzustimmen. Es stellte sich heraus, dass das Problem in der Wahl der Pumpe durch den Benutzer liegt.

Referenz 4 bietet nicht die Möglichkeit, grafisch darzustellen, was mit P1 und P2 geschieht und somit die Druckdifferenz, die dem Ventil zur Verfügung steht. Das Referenzarbeitsblatt 4 enthält jedoch eine tabellarische Darstellung von P1 und P2, sodass die Erstellung eines Diagramms von P1 und P2 im Verhältnis zum relativen Ventilweg einfach war. Im installierten Druckniveaudiagramm nimmt der für das Ventil verfügbare Druckabfall schnell ab, wenn sich der relative Ventilhub 0,8 (80 % Ventilhub) nähert.

Der Nutzer fand eine Pumpe mit einer etwas höheren und flacheren Förderhöhenkurve. Eine neue Analyse des vorgelagerten Systems ergab die überarbeiteten Werte von P1 und DELTA P, die in Abbildung 4 rot dargestellt sind. Wenn man diese neuen Werte von P1 und DELTA P in das Ventildimensionierungsprogramm des Benutzers und in das Referenzarbeitsblatt 4 einfügt, erhält man die Diagramme in Abbildung 4. Das Ventil arbeitet jetzt zwischen 25 % und 75 % des Hubs. Der maximale Auslegungsdurchfluss liegt jetzt bei etwas weniger als 80 % des vollständig geöffneten Durchflusses, was einen ausreichenden Sicherheitsfaktor am oberen Ende des Bereichs bietet. Die installierte Verstärkungskurve ist viel flacher und liegt deutlich innerhalb der empfohlenen Grenzen.

Abbildung 5 basiert auf einer Anwendung, bei der der Systementwickler ein 10-Zoll-Segmentkugelventil empfahl, nachdem er die installierten Durchfluss- und Verstärkungsdiagramme untersucht und festgestellt hatte, dass das Segmentventil eine gute Wahl war. Der Einkäufer gab an, dass eine 10-Zoll-Hochleistungs-Absperrklappe etwa ein Drittel weniger kosten würde als der Segmentkugelhahn. Der Systementwickler erklärte sich bereit, die Anwendbarkeit einer Hochleistungs-Absperrklappe zu untersuchen, da er wusste, dass die beiden Ventilarten recht unterschiedliche inhärente Strömungseigenschaften aufweisen. Segmentkugelhähne weisen in der Regel eine nahezu perfekte Gleichprozentcharakteristik auf. Hochleistungs-Absperrklappen haben in der Regel eine inhärente Durchflusscharakteristik zwischen linear und gleichprozentig.

Es stellte sich die Frage bezüglich des Druckabfalls, der bei der Dimensionierung eines Steuerventils zu berücksichtigen ist. Geht man von einem bereits ausgelegten System aus, kann der Dimensionierungsdruck nicht beliebig zugewiesen werden, sondern die Werte von P1 und P2 müssen durch eine Analyse der Reibungsdruckverluste und statischen Druckänderungen im System sowohl vor als auch nach der Steuerung ermittelt werden Ventil. Im Idealfall hat die Person, die das Steuerventil auswählt, ein Mitspracherecht bei der Bestimmung des Druckabfalls des Steuerventils, meist durch Angabe der zu verwendenden Pumpe. Die Verwendung einer installierten Verstärkungsanalyse verschiedener Pumpen, die möglicherweise geeignet sind, kann hilfreich sein. Um zu zeigen, wie dies erreicht werden kann, werden drei mögliche Pumpen für das in Abbildung 6 gezeigte System betrachtet, und zwar diejenige, die eine zufriedenstellende Steuerbarkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs ermöglicht ausgewählt werden. Für jede der drei Pumpen werden Kurven von P1, dem Druck direkt vor dem Ventil, zusammen mit der jeweils benötigten Leistung bei einer normalen Durchflussrate von 400 gpm angezeigt. Diese Kurven fallen im Verhältnis zum Quadrat des Durchflusses vom 100-GPM-Pumpenkopf (45, 60 bzw. 75 psi Überdruck für die Pumpen A, B und C) zu einem um 10 psi niedrigeren Druck aufgrund der kombinierten Wirkung der 5 ab Der Druckverlust in der vorgeschalteten Rohrleitung und der in der Abbildung angegebene Rückgang der Pumpenförderhöhe um 5 psi von 100 gpm auf 600 gpm ergeben sich. Die Kurve für P2, den Druck am Auslass des Steuerventils, beginnt mit der statischen Druckhöhe des Tanks von 10 psig bei sehr geringen Durchflussmengen und steigt proportional zum Durchfluss im Quadrat auf 30 psig an, wenn die Druckverluste der nachgeschalteten Rohrleitungen und des Wärmetauschers auf ihren Wert ansteigen 600 gpm-Werte.

Die Druckabfälle des Steuerventils (die Differenz zwischen P1 und P2) werden in der Abbildung durch die Pfeile auf der linken Seite der Abbildung für 100 gpm und auf der rechten Seite der Abbildung für 600 gpm angezeigt. Die Analyse erfolgt anhand eines Segmentkugelhahns. Die Grafik unten links in Abbildung 6 zeigt die berechneten installierten Strömungseigenschaften. Beachten Sie, dass es sich bei den installierten Flussdiagrammen, die durch das Arbeitsblatt des Referenzdiagramms 4 generiert werden, um einen relativen Fluss handelt, sodass 1,0 100 % des vollständig geöffneten Flusses entspricht, der für jeden der drei Fälle unterschiedlich ist. Interessant sind die installierten Verstärkungskurven. Bei der 17-PS-Pumpe ist nicht nur ein teureres 6-Zoll-Ventil erforderlich, sondern auch die Verstärkungskurve sieht schrecklich aus. Die installierte Verstärkung ist die höchste der drei (was einen größeren Durchflussfehler bei gleichem Ventilpositionsfehler bedeutet), sie sinkt auf 0,4, wenn sie sich dem maximalen Auslegungsdurchfluss nähert (die rote vertikale Linie bei 1,0 auf der Q/Qmax-Skala) und Die Schwankung der Verstärkung über den Durchflussbereich beträgt fast 7:1, viel größer als die Empfehlung von 2:1. Dieser Wert ist so groß, dass es schwierig wäre, Proportional-Integral-Derivative (PID)-Abstimmungsparameter zu finden, die eine gute und stabile Steuerung über den gesamten erforderlichen Durchflussbereich ermöglichen würden. Die Verstärkungskurven der 23-PS- und 29-PS-Pumpen liegen innerhalb der empfohlenen Verstärkungskriterien, aber die 23-PS-Pumpe ist der Gewinner, da ihre Verstärkung näher bei 1,0 liegt und außerdem wirtschaftlicher von beiden zu betreiben ist .Verweise

1. Monsen, Jon, Rules of Thumb, Flow Control, November 2012, S. 24–262. Monsen, Jon, An Insider's Guide to Installed Gain as a Control Valve Sizing Criterion, Flow Control, Mai 2015, S. 22-25.3. Monsen, Jon, Modern Tools for Sizing Control Valves & Actuators, Processing, Januar 2018, S. 12–144. Monsen, Jon, Calculated the Installed Flow and Gain of a Control Valve, Process Instrumentation, März 2021, S. 26–30. (Das in der Referenz beschriebene Arbeitsblatt und eine erweiterte Version sind verfügbar.)5. Jessee, Peter, Determining Pressure Drop for Control Valve Sizing, Flow Control, August 2000, S. 12-14.6. Coggan, D. A, Hrsg., „Fundamentals of Industrial Control“, zweite Auflage, Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA) (jetzt International Society of Automation – ISA), 2004. S. 278–280.

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Dezemberausgabe 2021 des InTech-Magazins veröffentlicht.

Jon F. Monsen, PhD, PE, ist Berater für Regelventiltechnologie bei Valin Corp., Autor des Kapitels „Computerized Control Valve Sizing“ im ISA Practical Guides Book on Control Valves und Autor des Buches Control Valve Anwendungstechnik: Techniken und Überlegungen zur richtigen Auswahl des richtigen Regelventils. Mit seiner mehr als 40-jährigen Erfahrung hat er auf nationaler und internationaler Ebene Vorträge über die Anwendung und Dimensionierung von Regelventilen gehalten und betreibt eine Website, auf der er kostenlose Informationen und Excel-Arbeitsblätter für diejenigen bereitstellt, die Regelventile spezifizieren oder verwenden.

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