Tự động hóa
Làm thế nào để lựa chọn van điều khiển dòng chảy phù hợp?
Hướng dẫn lựa chọn van điều khiển
Van điều khiển đóng một vai trò quan trọng để tăng lợi nhuận của nhà máy chế biến và tiết kiệm năng lượng.
Việc lựa chọn đúng các van này có thể có tác động tài chính đáng kể đến tổng chi phí của một dự án và mức độ kiểm soát quá trình.
Hướng dẫn lựa chọn van điều khiển
Để thu hẹp các lựa chọn, kỹ sư phải hiểu các đặc tính chung của từng loại van phù hợp với yêu cầu thiết kế của van như thế nào.
Điều khiển van
Một vòng lặp kiểm soát bao gồm một cảm biến, một bộ điều khiển và kiểm soát các yếu tố – van và thiết bị truyền động của nó. Cảm biến truyền tín hiệu đến bộ điều khiển đơn lẻ hoặc một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) .
Bộ điều khiển so sánh tín hiệu với giá trị cài đặt, sau đó thực hiện bất kỳ hiệu chỉnh cần thiết nào bằng cách gửi tín hiệu đến van điều khiển. Việc hiệu chỉnh được đo và xác nhận bởi cảm biến, hoàn thành vòng lặp.
Trong Hình dưới đây, bộ chuyển đổi I / P thay đổi tín hiệu điện tử thành tín hiệu khí nén. Van điều khiển phải phản ứng tức thời với bất kỳ thay đổi nào trong tín hiệu.
Để có hiệu quả, van phải:
- hoạt động ở dòng chảy lớn
- phản hồi chính xác bất kỳ tín hiệu nào trong phạm vi hoạt động của nó;
- có ít thời gian trễ;
- thích ứng với các điều chỉnh gia tăng từ bộ điều khiển (độ phân giải)
- đáp ứng với tốc độ cần thiết (tốc độ lái).
- Phản hồi nhanh có thể không phù hợp với tất cả các ứng dụng.
Ví dụ, việc giảm nhanh hoặc đột ngột tiết diện của van trong đường ống có thể có hại, gây ra sóng xung kích. Khả năng kiểm soát dòng chảy của van phụ thuộc vào chất lượng của bộ truyền động của nó.
Một bộ định vị có thể được thêm vào để kiểm soát chặt chẽ hơn. Bộ định vị cải thiện hiệu suất bằng cách khuếch đại tín hiệu của bộ điều khiển, do đó đạt được phản hồi chính xác hơn. Điều này cũng giúp khắc phục ảnh hưởng của bất kỳ ma sát nào ở thân van và cải thiện khả năng đóng ngắt.
Chất lượng của bất kỳ thiết bị điều khiển nào có thể được định lượng bằng độ tiện ích của nó, hằng số thời gian và độ trễ thời gian chết. Trong số này, độ lợi là quan trọng nhất đối với một van điều khiển. Độ lợi là tỷ lệ phần trăm thay đổi trong một biến quá trình với phần trăm thay đổi của hành trình van. Độ lợi phụ thuộc vào đặc tính của van và điều kiện quy trình.
Thông số thiết kế
Để chọn đúng một van điều khiển, các đặc tính của chất lỏng và hệ thống sau đây phải được biết: trạng thái của nó (hơi, lỏng hoặc cả 2), áp suất hơi, lưu lượng, áp suất đầu vào và đầu ra, nhiệt độ đầu vào, mật độ, trọng lượng phân tử, độ nhớt, cụ thể tỷ số nhiệt, nhiệt độ tới hạn và áp suất tới hạn.
Lưu lượng tối đa được chỉ định phải bao gồm một biên độ thiết kế thích hợp (thường là 10%). Thông số kỹ thuật yêu cầu bạn phải biết hình dạng của hệ thống, kích thước và số lịch trình đường ống cũng như vật liệu xây dựng, cũng như vị trí an toàn của van, áp suất ngắt tối đa và phần trăm chớp (đối với chất lỏng nhấp nháy) qua van.
Vì van điều khiển được vận hành bằng điện, kỹ sư phải xem xét phản ứng của nó đối với việc mất tín hiệu hoặc công suất – tức là chế độ an toàn không hoạt động của van . Trong khoảng 80% các ứng dụng, van điều khiển được chỉ định là không đóng được. Tuy nhiên, đôi khi, van không thể mở, khóa (vị trí khóa không thành công) hoặc trôi (từ từ, để đóng hoặc mở).
Ví dụ, một van mở không thành công sẽ cần thiết trong một hệ thống xả lũ . Lò xo bên trong nắp ca-pô thường cho phép bộ truyền động đến vị trí hỏng hóc. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như đối với vị trí khóa hoặc trượt không thành công, có thể cần một nguồn điện phụ (ví dụ: xi lanh khí). Các quy tắc an toàn và các mối quan tâm, và các yêu cầu quy trình sẽ xác định vị trí hỏng hóc.
Hệ số dòng chảy
Thông số van quan trọng nhất để tính toán kích thước của van điều khiển là hệ số dòng chảy, Cv. Việc tính toán Cv phụ thuộc vào việc dòng chảy là không thể nén, nén được hay hỗn hợp.
Có các phương trình để xác định Cv cho các chất lỏng không nén được, nén được, hai pha và bay hơi hoặc nhấp nháy. Các tham chiếu này cho phép tính toán kích thước van sơ bộ.
Trim và Bonnet
Trim: đề cập đến các bộ phận bên trong, có thể tháo rời của van tiếp xúc với chất lỏng đang chảy. Các bộ phận không được coi là trang trí bao gồm bao bì, nắp ca-pô, mặt bích phía dưới và các miếng đệm. Phần cắt duy trì mối quan hệ giữa công suất dòng chảy và lực nâng của phích cắm van, và đảm bảo van đóng ngắt đúng cách.
Seat chịu trách nhiệm chính về độ kín của quá trình đóng ngắt. Việc nâng đúng cách và đóng ngắt chặt chẽ cũng bị ảnh hưởng bởi các bộ phận khác của van, chẳng hạn như hình dạng thân, thiết kế bộ truyền động và đóng gói thân van. Mức độ đóng ngắt cần thiết tùy thuộc vào loại dịch vụ. Ngắt được đo bằng phần trăm tổng lưu lượng rò rỉ qua khi van đóng. Có các tiêu chuẩn công nghiệp xác định các yêu cầu tắt cho các ứng dụng khác nhau.
Việc lựa chọn đường cắt van chủ yếu dựa trên các điều kiện vận hành chất lỏng, đặc tính dòng chảy vốn có của nhà sản xuất cho một vùng cụ thể và ảnh hưởng đến đặc tính dòng chảy vốn có ở các điều kiện vận hành khác nhau. Các thông số này cho phép dự đoán đặc tính dòng được cài đặt cho mỗi phần, được sử dụng làm cơ sở để lựa chọn phần cắt.
Việc cắt giảm công suất giúp đạt được sự kiểm soát chính xác ở các dòng chảy thấp, đồng thời để lại chỗ cho các dòng chảy cao hơn trong tương lai. Phần cắt như vậy được thiết kế để dòng chảy qua cổng được giảm bớt, nhưng độ chính xác của điều khiển dòng được tăng lên do giảm khoảng cách plug-lift.
Không có quy tắc chung nào quy định rằng phần cắt giảm nên được sử dụng dưới một tỷ lệ chỉnh sửa nhất định. Tuy nhiên, cắt giảm có thể là một giải pháp khi cần điều khiển chính xác ở 20–25% công suất van.
Lồng thường được khoét và phục vụ nhiều mục đích:
Một cái lồng đóng vai trò dẫn hướng cho phích cắm, đảm bảo rằng phích cắm được đặt đúng vị trí và tiếp xúc đúng với ghế.
Một lồng đặc trưng có thể được sử dụng để thay đổi đặc tính dòng chảy đã cài đặt của van. Hình dạng của các lỗ cắt vào lồng xác định xem một van hoạt động theo tỷ lệ phần trăm bằng nhau, tuyến tính hay hoạt động nhanh.
Lồng có thể được thiết kế để đảm bảo sự lan truyền cân bằng của lực chất lỏng lên phích cắm và thân, dẫn đến cái được gọi là lồng cân bằng, có hướng dẫn.
Phích cắm và thân trong van trục trượt chịu lực ảnh hưởng đến sự điều khiển của bộ truyền động đối với phích cắm, và dẫn đến chuyển động của thân bị giật, không chính xác .
Chất lỏng xung quanh thân có thể đẩy nó lên, xuống hoặc sang một bên, và thậm chí truyền lực xoắn lên nó. Có những thiết kế trang trí chống lại và cân bằng các lực này. Trang trí cân bằng sử dụng các sửa đổi cơ học đối với phích cắm hoặc trang trí lồng để phân tán và đồng đều các lực.
Bonnet:
Cũng phải xem xét đặc biệt đến nắp ca-pô, bao bọc thiết bị truyền động và bộ phận đóng gói van . Bonnet thường được thiết kế để đáp ứng các phạm vi nhiệt độ nhất định.
Đối với dịch vụ nhiệt độ cao (ví dụ: 450 ° F) và dưới nhiệt độ đóng băng, một nắp ca-pô mở rộng được sử dụng. Nắp ca-pô này cách ly bao bì khỏi nhiệt độ khắc nghiệt.
Trong dịch vụ đông lạnh, phần mở rộng ngăn cách bao gói thân van khỏi chất lỏng dưới 0, ngăn không cho bao bì trở nên giòn. Nắp ca-pô có vây bên ngoài đôi khi được sử dụng cho nhiệt độ cao. Các cánh tản nhiệt thúc đẩy sự thất thoát nhiệt ra không khí xung quanh.
Tiếng ồn :
Các van điều khiển tạo ra tiếng ồn do các rung động cơ học, sự xâm thực hoặc hiệu ứng khí động học. Vận tốc cao, dao động áp suất và dòng chảy không ổn định tạo ra dao động thường dưới 100 decibel (dB), cường độ âm thanh ở mức tối đa từ tai nghe của radio. (Cuộc trò chuyện bình thường là khoảng 60 dB, và ngưỡng đau của màng nhĩ là khoảng 130 dB.)
Tiếng ồn tạo ra bởi sự xâm thực phụ thuộc vào mức độ của nó. Tăng giảm áp suất qua van sẽ làm tăng tiếng ồn. Trong quá trình xâm thực hoàn toàn, van điều khiển phát ra tiếng kêu lạch cạch.
Tuy nhiên, tiếng ồn thường dưới 100 db. Tiếng ồn do khí động học tạo ra là kết quả của sự trộn lẫn các chất lỏng hỗn loạn với các chất lỏng nhiều lớp. Đây là nguồn tiếng ồn phổ biến nhất và tồi tệ nhất – mức độ có thể lên tới hơn 100 db. Các giới hạn tiếng ồn đối với quá trình cần được chỉ định cho nhà cung cấp van
Lựa chọn loại van
Các nhà sản xuất van sẽ cung cấp công suất dòng chảy của van thực tế , được biểu thị bằng Cv, cho các loại và kích cỡ van khác nhau của họ. Khi loại van và đặc tính lưu lượng được thiết lập, kích thước sơ bộ có thể được xác định bằng cách tính toán hành trình van cho từng trường hợp lưu lượng thiết kế.
Hành trình là tỷ số giữa Cv được tính toán với Cv thực tế cho một van cụ thể. Chọn van có thể hoạt động từ 10–80% hành trình van trong phạm vi hoạt động dự kiến, tức là lưu lượng tối thiểu, bình thường và tối đa.
Quy tắc ngón tay cái để định cỡ và lựa chọn
Những điều sau đây nên được sử dụng như một hướng dẫn, nhưng không phải là tiêu chí thiết kế:
Trong mạch bơm, sụt áp được phân bổ cho van điều khiển phải bằng 33% tổn thất động lực trong hệ thống ở lưu lượng danh định, hoặc 15 psi, chọn giá trị nào lớn hơn.
Độ giảm áp suất được phân bổ cho van điều khiển trong đường hút hoặc đường xả của máy nén ly tâm phải là 5% áp suất hút tuyệt đối hoặc 50% tổn thất động của hệ thống, chọn giá trị nào lớn hơn.
Trong một hệ thống mà áp suất tĩnh di chuyển chất lỏng từ bình áp suất này sang bình áp suất khác, áp suất giảm phân bổ cho van phải bằng 10% áp suất bình ở đầu cuối thấp hơn hoặc 50% tổn thất động của hệ thống, chọn giá trị nào lớn hơn.
Áp suất giảm trong van trong đường hơi đến tuabin, nồi hơi và bình xử lý phải bằng 10% áp suất tuyệt đối thiết kế của hệ thống hơi, hoặc 5 psi, tùy theo giá trị nào lớn hơn.
Hệ số khuếch đại trên van điều khiển không bao giờ được nhỏ hơn 0,5.
Tránh sử dụng 10% thấp hơn và 20% trên của hành trình van. Van dễ điều khiển hơn nhiều trong khoảng 10–80%.
Nói chung, thân van điều khiển có kích thước nhỏ hơn một kích thước so với kích thước dòng. Nếu điều này làm cho thân van nhỏ hơn đáng kể so với kích thước dòng, điều này sẽ làm giảm Cv hiệu dụng của van. thì không áp dụng khái quát này.
Lựa chọn đặc tính dòng chảy
Dưới đây là một số hướng dẫn hữu ích trong việc quyết định loại đặc tính dòng chảy nào là phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể.
Đây chỉ là những nguyên tắc và không nên được coi là những khuyến nghị tuyệt đối:
Tỷ lệ phần trăm bằng nhau:
- khi sự giảm áp suất của hệ thống điều khiển không qua van
- cho các vòng điều khiển nhiệt độ và áp suất Tuyến tính:
- trong dịch vụ cấp chất lỏng hoặc kiểm soát dòng chảy
- nơi mà áp suất giảm trên van dự kiến sẽ không đổi
- nơi mà phần chính của sự giảm áp suất của hệ thống điều khiển là qua van.
Mở rộng:
- đối với dịch vụ bật / tắt thường xuyên, chẳng hạn như trong quy trình hàng loạt hoặc bán liên tục, hoặc khi yêu cầu lưu lượng lớn “tức thì”, tức là đối với hệ thống an toàn hoặc ngập lụt.
Vật liệu
Lựa chọn vật liệu bao gồm chỉ định phần thân cứng, phần trang trí, miếng đệm mềm, con dấu và vật liệu đóng gói. Theo yêu cầu tối thiểu, thân và viền phải phù hợp với vật liệu của đường ống kết nối.
Ngoài sở thích của khách hàng và cân nhắc chi phí, bản chất của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu. Cẩn thận khi xử lý các chất lỏng ăn mòn và ăn mòn.
Quá trình ăn mòn có thể được làm chậm bằng cách làm cứng mặt trong của van bằng hợp kim niken hoặc coban-crom. Phải cân nhắc đối với các dịch vụ nhiệt độ cao và thấp (tương ứng> 800 ° F và dưới mức đóng băng).
Ví dụ, ở nhiệt độ cao, van phải chịu ứng suất lớn hơn và rò rỉ do sự giãn nở bên trong của chúng. Chất lỏng bay qua van điều khiển có thể nguội đến nhiệt độ dưới ngưỡng. Điều này đặc biệt đúng khi điều tiết chất lỏng hydrocacbon áp suất cao.
Tính toán phải được thực hiện để kiểm tra nhiệt độ đầu ra ở áp suất thấp hơn. Trong các dịch vụ nhiệt độ thấp khác, chẳng hạn như với chất lỏng đông lạnh, độ ẩm trong khí quyển có thể làm cho các thành phần chuyển động của van, chẳng hạn như thân, đóng băng, khiến chúng không thể hoạt động được.
Do đó, các van này yêu cầu cách nhiệt. Thân van và bao bì phải được thiết kế để chịu được áp suất cao. Trong ứng dụng áp suất cao (> 1.000 psi), than chì được sử dụng để gia cố các bao bì mềm để ngăn chặn sự đùn ép qua các lỗ nhỏ.
Van thu gọn được sử dụng thường xuyên hơn so với kích thước đầy đủ, bởi vì trước đây tạo ra sự giảm áp suất để đạt được Cv chính xác. Ngoài ra, một cổng rút gọn sẽ ít tốn kém hơn vì nó phù hợp với một thân máy nhỏ hơn. Tránh chỉ định các kích thước van lẻ, ví dụ: 1,25, 2,5, 3,5, 5 và 22 in. Các kích thước ít phổ biến này khó tìm và có giá cao hơn kích thước tiêu chuẩn.
Van có thể được lắp với các kết nối cuối khác nhau. RF (mặt nâng lên) thường được sử dụng; RTJ (khớp kiểu vòng) được tìm thấy trong một số lớp áp suất cao. Các van có thể được hàn vào vị trí, cung cấp kết nối không rò rỉ Điều này giúp loại bỏ chi phí và trọng lượng của mặt bích, nhưng có thể có vấn đề nếu van phải được tháo ra để bảo dưỡng.
Bảo trì
Rõ ràng, một van được thiết kế kém có thể yêu cầu bảo trì nhiều hơn vì nó sẽ không thể hoạt động đầy đủ trong các điều kiện hoạt động. Các vấn đề thường gặp là mòn thân van, màng ngăn truyền động, yên xe và bao bì. Mỗi một trong số này có thể được giảm bớt bằng cách chọn kiểu dáng phù hợp của van và vật liệu cấu tạo của nó.
Ví dụ, một van xử lý chất bị cuốn theo phải được làm sạch thường xuyên hơn để loại bỏ các mảnh vụn. Trong trường hợp này, việc chọn van cầu có thể không được khuyến khích, vì các mảnh vụn có thể được hút qua con dấu thân, do đó làm hỏng van và hạn chế khả năng kiểm soát. Một van quay có thể là một lựa chọn tốt hơn.
Mòn bao bì là do ma sát giữa bao bì và thân van. Van trục trượt thường có thể dẫn đến mòn nhiều hơn van có trục quay, vì van trượt có thể tích tụ cặn bẩn và có thể kéo chúng qua bao bì. Sự mài mòn khi đóng gói được khuếch đại trong các van có bề mặt thân kém, do ma sát cao giữa thân thô và bao bì.
Lựa chọn van có bề mặt thân nhẵn hơn có thể hữu ích. Chân van có thể bị hư hại do hai nguồn: chất lỏng chảy ra và bản thân phích cắm. Một chiếc ghế mềm, đôi khi cần thiết để đóng ngắt chặt chẽ, có thể bị xói mòn nếu tiếp xúc với chất lỏng có chất rắn cuốn theo.
Nên sử dụng seat kim loại cho dịch vụ này, nếu không, nên đặt con dấu mềm sao cho nó được che chắn khỏi đường dẫn dòng chính. Nếu phích cắm và ghế không tiếp xúc tốt, đệm ghế có thể là một lựa chọn tốt. Lapping, chỉ áp dụng cho ghế kim loại, một quy trình trong đó phích cắm và ghế được mài bằng tay với nhau để chúng có bề mặt hoàn thiện phù hợp và do đó, vừa khít hơn. Chọn van có một số tính năng chẩn đoán có thể giúp giảm thiểu việc bảo trì.
Van thông minh và bộ định vị chuyển tiếp các thông số đặc trưng của van (áp suất của bộ truyền động, hành trình của thân, v.v.) sang phần mềm, sử dụng chúng để tính toán các chỉ số hiệu suất, chẳng hạn như ma sát và mô-men xoắn của thân đóng gói.
Giám sát có thể giúp dự đoán các yêu cầu bảo trì. Để an toàn, hãy tham khảo ý kiến của nhân viên bảo trì và vận hành trong quá trình lựa chọn và thiết kế van.
Lưu ý cuối cùng: Định cỡ van đúng cách rất quan trọng cho cả quá trình và hiệu quả kinh tế. Một vấn đề phổ biến trong ngành là việc sử dụng quá nhiều kích cỡ của các van điều khiển, dẫn đến khả năng kiểm soát kém và giảm tuổi thọ.