Verständnis der Durchflusseigenschaften von Regelventilen

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Während des Anlagenbetriebs scheint die Abstimmung von Regelkreisen eine ständige Aufgabe zu sein, die für Steuerungsingenieure und Techniker eine ständige Frustration darstellen kann. Die Durchflusseigenschaften von Prozessregelventilen machen eine regelmäßige Regelkreisabstimmung erforderlich. Das Verständnis der Grundlagen kann die Frustration lindern und die Schleifenstabilität gewährleisten. Aber zunächst einige Grundlagen dazu, warum dies geschieht.

Typischerweise verwenden Rückkopplungsstrategien für Prozessregelkreise den „Durchfluss“ als manipulierte Variable, um die gewünschte Variable zu steuern. Um dies zu erreichen, wird ein Reglerausgangssignal an ein Regelstromventil gesendet, das die erforderliche Durchflussmenge (Stellgröße) liefert, um die Regelgröße möglichst nahe am Sollwert zu halten.

Die ideale Erwartung besteht darin, dass der Durchfluss durch das Regelventil proportional zum Ausgangssignal des Reglers ist, sodass die „Verstärkung“ der Schleifenrückführung für alle Prozessflussbedingungen nahezu konstant bleibt und die erforderlichen Abstimmungsparameter der Schleife für alle Betriebsbedingungen gleich bleiben. Dies geschieht jedoch nicht in allen Fällen.

Im Beispiel der Temperaturregelung in Abbildung 1 ist der Dampfeinlassdruck normalerweise konstant. Daher ist auch die Druckdifferenz (Δp) über dem Ventil nahezu konstant und die Dampfflussmenge durch das Steuerventil ist ungefähr proportional zur Ventilöffnungsposition (wenn die Ventilkennlinie linear ist) oder folglich proportional zum Reglerausgang Signal. Dies ist die gewünschte Regelkreisoperation.

Bezugnehmend auf das Beispiel der Pumpendurchflussregelung in Abbildung 2 nimmt der Pumpenauslassdruck mit zunehmender Durchflussmenge ab. Darüber hinaus nimmt der Druckabfall in der Rohrleitung zu, wenn der Durchfluss zunimmt. Folglich verringert sich der Δp-Wert über dem Ventil mit steigendem Durchfluss. Die Durchflussmenge durch das Ventil hat keinen proportionalen Zusammenhang mit der Ventilöffnungsposition, wenn der gleiche Ventiltyp wie im Temperaturregelungsbeispiel (Abbildung 1) verwendet wird. Das bedeutet, dass sich das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal des Reglers und der Durchflussrate des Regelventils unter allen verschiedenen Betriebsbedingungen ändert und die Regelkreisabstimmungsparameter je nach den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Prozesses neu abgestimmt werden müssen.

Einige moderne digitale Steuerungssysteme verfügen über eine Selbstoptimierungs-/Autooptimierungsfunktion, die die Unannehmlichkeiten der Schleifenoptimierung reduzieren oder minimieren kann. Die richtige Auswahl der Ventildurchflusseigenschaften erspart jedoch viel Ärger und Geld.

Für kontinuierliche Prozessregelventile gibt es drei inhärente Durchflusseigenschaften, die bei der Bestellung des Ventils angegeben werden können. Es ist wichtig zu beachten, dass es einen Unterschied zwischen „inhärenten Ventileigenschaften“ und „installierten Ventileigenschaften“ gibt.

Die „inhärente Charakteristik“ eines Ventils (Abbildung 3) ist die vom Hersteller veröffentlichte Charakteristik, die auf Tests basiert, die in einem System durchgeführt wurden, bei dem große Sorgfalt darauf verwendet wird, sicherzustellen, dass der Druckabfall am Testventil bei allen Ventilöffnungen konstant gehalten wird Fließraten. Die „installierte Kennlinie“ (Abbildung 4) ist die Beziehung zwischen Ventilposition und Durchfluss in dem spezifischen System, das betrachtet wird, unter Berücksichtigung etwaiger Änderungen des Δp, das dem Regelventil aufgrund der annähernd quadratischen Beziehung zwischen Durchfluss und Rohrleitungsdruckverlusten zur Verfügung steht. oder eine Förderhöhenkurve einer Kreiselpumpe.

Die drei Eigenschaften des Regelventils sind:

Die inhärenten Durchflusseigenschaften des Steuerventils werden unter der Annahme eines konstanten Δp über dem Ventil ermittelt. Wenn der Ventil-Δp mit zunehmendem Durchfluss verringert wird, was bedeutet, dass es zu einem Abfall des Ventildruckabfalls (vpdd) kommt, ist die „Kennlinie des installierten Regelventils“ anders und das Verhältnis zwischen der Signalausgabe des Reglers und dem Durchfluss des Regelventils ändert sich.

Einige moderne digitale Steuerungssysteme verfügen über Selbstoptimierungs-/Autotuning-Funktionen, die die Unannehmlichkeiten der Schleifenoptimierung reduzieren oder minimieren können.

Eine einfache Möglichkeit, zwischen den inhärenten Steuerventil-Durchflusseigenschaften auszuwählen, ist die Berechnung des vpdd. Das Verhältnis zwischen dem Druckabfall des Ventils bei hohem Durchfluss und niedrigem Durchfluss Δp kann einen Hinweis darauf geben, wie eine Ventildurchflusscharakteristik für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden sollte.

vpdd = Δp(qmax)Δp(qmin)

wobei: vpdd=Abnahme des Ventildruckabfalls Δp(qmax)=Ventildruckabfall bei maximalem Durchfluss Δp(qmin)=Ventildruckabfall bei minimalem Durchfluss

Mithilfe der vpdd-Berechnung kann die Regelventilkennlinie wie folgt gewählt werden:

Wenn vpdd weniger als 0,20 beträgt, überprüfen Sie die Pipe oder andere Spezifikationen. Es sollten mindestens 0,20 vpdd vorhanden sein, um einen einigermaßen linearen Regelkreis zu erreichen.

Es ist auch möglich, die Anforderungen an die Charakteristik des Regelventils über den Ventilstellungsregler zu verwalten. Regelventil-Stellungsregler können typischerweise eine lineare Regelventil-Durchflusskennlinie in eine modifizierte parabolische oder gleichprozentige Kennlinie umwandeln oder umgekehrt. Es ist jedoch besser, das richtige Steuerventil zu haben.

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Joao Bassa, MSc, Senior Consultant – MAHAM Serviços de Engenharia Consultiva, Brasilien, verfügt über 40 Jahre internationale Industrieerfahrung in der Automatisierung und Prozesssteuerung. Er ist Professor am Mauá Technology Institute, Mitglied des InTechEditorial Advisory Board und Vorsitzender des ISA-Distrikts 4 (Brasilien) Standards & Practices.