Utilisation des calculs de gain installés sur la vanne de régulation

Une feuille de travail qui calcule le gain installé de la vanne de régulation peut faire partie de tout processus de sélection de vanne de régulation. Cet article a été initialement publié dans le numéro de décembre 2021 du magazine InTech.

Pendant de nombreuses années, l'auteur a utilisé et promu l'utilisation de graphiques de débit et de gain installés sur les vannes de régulation dans le cadre du processus de sélection des vannes de régulation (références 1 à 3). Pendant toutes ces années, l'auteur a eu l'avantage d'être associé à un fabricant de vannes avec une application de dimensionnement de vanne de régulation accessible au public qui comprenait une capacité de graphique de débit et de gain installée. Les utilisateurs qui préféraient d'autres marques de vannes de régulation, et donc les applications de dimensionnement des vannes de régulation de ces fabricants, hésitaient à apprendre à utiliser une nouvelle application pour tirer parti de la capacité graphique. Récemment, l'auteur a publié un article contenant des instructions détaillées pour la construction d'une feuille de calcul Microsoft Excel qui génère des graphiques de débit et de gain installés en conjonction avec des calculs de dimensionnement de vannes effectués avec n'importe quelle application de dimensionnement de vannes. Il est donc pratique pour quiconque d'intégrer la représentation graphique du débit et du gain installés dans son processus de sélection de vanne (référence 4). Cet article explique comment utiliser les calculs de gain installés sur la vanne de régulation.

Des gains extrêmement faibles ne sont pas souhaitables, car un faible gain signifie que lorsque la vanne se déplace, le débit ne change pas beaucoup. La raison pour laquelle des gains élevés ne sont pas souhaitables n'est peut-être pas aussi évidente. Un amplificateur audio avec un gain élevé peut être souhaitable. Mais les vannes de régulation sont des dispositifs mécaniques et les pièces qui bougent lorsqu'elles sont en contact les unes avec les autres ont tendance à coller lorsqu'elles ne bougent pas. Si une vanne, parce qu'elle a tendance à coller lorsqu'elle ne bouge pas, ne peut être positionnée qu'à moins de 2 % de la position souhaitée et a un gain de 4, le débit ne peut être ajusté qu'à moins de 8 %, ce qui peut ne pas être souhaitable. La raison de limiter le changement de gain dans la plage de débit requise à 2:1 est qu'il sera plus facile de régler le contrôleur pour une réponse stable et rapide sur toute la plage de débit requise.

Les valeurs de P1 et P2 aux débits de conception minimum et maximum doivent être obtenues par une analyse des pertes de pression par frottement et des changements de pression statique dans le système en amont et en aval de la vanne de régulation (références 5-6). Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des plus courantes.

La figure 2 montre la feuille de calcul Excel de dimensionnement des vannes de régulation d'un utilisateur. La plage de CV calculée semble montrer qu'une vanne de régulation à bille de segment de 6 pouces fonctionnerait à environ 20 % à 78 % d'ouverture du débit de conception minimum au débit de conception maximum. Un calcul de débit et de gain installé a donné des résultats surprenants (Figure 3).

Le graphique de débit installé montre le débit minimum spécifié coupant le graphique de débit installé à 20 % de déplacement relatif, et le débit de conception maximal coupant le graphique de débit installé juste un peu en dessous de 80 % de déplacement relatif, ce qui correspond au calcul de l'utilisateur. Ce que le calcul de l'utilisateur n'a pas montré, c'est que 95 % du débit entièrement ouvert de la vanne correspond au débit de conception maximal, ne laissant aucun facteur de sécurité à l'extrémité supérieure. À environ 60 % de course (course relative de 0,6), le graphique de débit installé commence à s'arrondir vers une pente beaucoup plus faible. Ce fait est identifié sur le graphique de gain installé où le gain installé tombe en dessous de 0,5, soulignant le fait que les changements de position de la vanne n'auraient qu'un faible effet sur le débit dans le système. Le changement de gain entre le débit de conception maximal (Q/Qmax) et le gain maximal sur le graphique est supérieur à 4:1, ce qui rend difficile le réglage du contrôleur pour un contrôle rapide et stable. Il s'est avéré que le problème réside dans le choix de la pompe de l'utilisateur.

La référence 4 n'inclut pas la possibilité de représenter graphiquement ce qui se passe à P1 et P2, et donc le différentiel de pression disponible pour la vanne. Cependant, la feuille de travail de référence 4 contient un tableau de P1 et P2, donc la construction d'un graphique de P1 et P2 par rapport à la course relative de la vanne était simple. Dans le graphique de niveau de pression installé, lorsque la course relative de la vanne approche de 0,8 (course de vanne de 80 %), la chute de pression disponible pour la vanne diminue rapidement.

L'utilisateur a trouvé une pompe avec une courbe de tête légèrement plus haute et plus plate. Une nouvelle analyse du système en amont a donné les valeurs révisées de P1 et DELTA P indiquées en rouge sur la figure 4. L'insertion de ces nouvelles valeurs de P1 et DELTA P dans le programme de dimensionnement de la vanne de l'utilisateur et dans la feuille de travail de référence 4 donne les graphiques de la figure 4. La vanne fonctionne maintenant entre 25 % et 75 % de course. Le débit maximal de conception est maintenant légèrement inférieur à 80 % du débit entièrement ouvert, ce qui donne un facteur de sécurité suffisant à l'extrémité supérieure de la plage. Le graphique de gain installé est beaucoup plus plat et bien dans les limites suggérées.

La figure 5 est basée sur une application où le concepteur du système a recommandé une vanne à boisseau sphérique à segment de 10 pouces après avoir examiné les graphiques de débit et de gain installés et déterminé que la vanne à segment était un bon choix. L'agent d'achat a fait remarquer qu'un robinet à papillon haute performance de 10 pouces coûterait environ un tiers de moins qu'un robinet à boisseau sphérique segmenté. Le concepteur du système a accepté d'étudier l'applicabilité d'une vanne papillon haute performance, sachant que les deux types de vannes ont des caractéristiques de débit inhérentes assez différentes. Les vannes à boisseau sphérique à segment ont tendance à avoir une caractéristique de pourcentage égal presque parfaite. Les vannes papillon hautes performances ont tendance à avoir une caractéristique de débit inhérente entre linéaire et pourcentage égal.

Une question s'est posée concernant la perte de charge à utiliser lors du dimensionnement d'une vanne de régulation. En supposant un système déjà conçu, la pression de dimensionnement ne peut pas être attribuée arbitrairement, mais les valeurs de P1 et P2 doivent être obtenues par une analyse des pertes de charge par frottement et des changements de pression statique dans le système en amont et en aval de la vanne de régulation. La situation idéale est celle où la personne qui sélectionne la vanne de régulation a son mot à dire dans la détermination de la chute de pression de la vanne de régulation, le plus souvent en spécifiant la pompe qui sera utilisée. L'utilisation d'une analyse de gain installée de diverses pompes qui pourraient convenir peut être utile. Pour démontrer comment cela peut être fait, trois pompes possibles pour le système illustré à la figure 6 seront considérées, et celle qui permet une contrôlabilité satisfaisante tout en minimisant la consommation d'énergie sera sélectionnée. Les courbes de P1, la pression juste en amont de la vanne, sont indiquées pour chacune des trois pompes, ainsi que la puissance requise par chacune à un débit normal de 400 gpm. Ces courbes ont une pente descendante proportionnellement au débit au carré de la tête de pompe de 100 gpm (45, 60 et 75 psig, respectivement, pour les pompes A, B et C) à une pression inférieure de 10 psi en raison de l'effet combiné de la perte de pression de 5 psi dans la tuyauterie en amont et de la diminution de 5 psi de la tête de pompe de 100 gpm à 600 gpm indiquée sur la figure. La courbe pour P2, la pression à la sortie de la vanne de régulation, commence avec la tête statique de 10 psig du réservoir à très faibles débits et augmente proportionnellement au débit au carré à 30 psig lorsque les pertes de pression de la tuyauterie en aval et de l'échangeur de chaleur augmentent jusqu'à leurs valeurs de 600 gpm.

Les chutes de pression de la soupape de commande (la différence entre P1 et P2) sont indiquées sur la figure par les flèches à gauche de la figure pour 100 gpm et à droite de la figure pour 600 gpm. L'analyse est effectuée sur la base de l'utilisation d'une vanne à boisseau sphérique. Le graphique en bas à gauche de la figure 6 montre les caractéristiques de débit installées calculées. Gardez à l'esprit que les graphiques de flux installés générés par la feuille de calcul du graphique de référence 4 sont des flux relatifs, donc 1,0 correspond à 100 % du flux entièrement ouvert, ce qui est différent pour chacun des trois cas. Ce qui est intéressant, ce sont les graphiques de gain installés. Avec la pompe de 17 ch, en plus de nécessiter une valve de 6 pouces plus chère, le graphique de gain a l'air terrible. Le gain installé est le plus élevé des trois (ce qui signifie une plus grande erreur de débit pour la même erreur de position de vanne), il tombe à 0,4 lorsqu'il se rapproche du débit maximal de conception (la ligne verticale rouge à 1,0 sur l'échelle Q/Qmax), et la variation de gain sur la plage de débit est de presque 7:1, bien supérieure à la recommandation de 2:1. Ceci est suffisamment grand pour qu'il soit difficile de trouver des paramètres de réglage proportionnels-intégraux-dérivés (PID) qui fourniraient un contrôle bon et stable sur toute la plage de débit requise. Les graphiques de gain des pompes 23 ch et 29 ch correspondent aux critères de gain recommandés, mais la pompe 23 ch est la gagnante, car son gain est plus proche de 1,0, et c'est aussi la plus économique des deux à fonctionner. Références

1. Monsen, Jon, Rules of Thumb, Flow Control, novembre 2012 p. 24–262. Monsen, Jon, Guide de l'initié sur le gain installé en tant que critère de dimensionnement des vannes de régulation, Flow Control, mai 2015, pp. 22-25.3. Monsen, Jon, Outils modernes pour le dimensionnement des vannes de régulation et des actionneurs, Traitement, janvier 2018, p. 12-144. Monsen, Jon, Calcul du débit installé et du gain d'une vanne de régulation, Process Instrumentation, mars 2021, pp. 26–30. (La feuille de calcul décrite dans la référence et une version améliorée sont disponibles.)5. Jessee, Peter, Détermination de la chute de pression pour le dimensionnement des vannes de régulation, Flow Control, août 2000, pp. 12-14.6. Coggan, DA, éd., "Fundamentals of Industrial Control", deuxième édition, Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA) (maintenant l'International Society of Automation—ISA), 2004. pp. 278–280.

Cet article a été initialement publié dans le numéro de décembre 2021 du magazine InTech.

Jon F. Monsen, PhD, PE, est consultant en technologie des vannes de régulation pour Valin Corp., l'auteur du chapitre sur le « Dimensionnement informatisé des vannes de régulation » dans le livre des guides pratiques ISA sur les vannes de régulation, et l'auteur du livre Control Valve Application Technology : Techniques and Considerations for Properly Selecting the Right Control Valve. Avec ses plus de 40 ans d'expérience, il a donné des conférences nationales et internationales sur l'application et le dimensionnement des vannes de régulation, et il héberge un site Web où il propose des informations gratuites et des feuilles de calcul Excel pour ceux qui spécifient ou utilisent des vannes de régulation.

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