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Sep 11, 2023

制御弁を指定する際の重要な考慮事項

1 marzo 2017 | Scritto da Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

2017年3月1日 | サティエンドラ・クマール・シン著、Simon India Ltd.

設計段階で制御バルブを正確に指定するには、このガイダンスに従ってください。

制御バルブは、化学プロセス産業 (CPI) で使用される最も一般的かつ重要な機器の 1 つです。 これらは、接続されたパイプ内の流体の流れを調整することによって望ましい動作パラメータを達成することにより、プロセスプラントのスムーズで効率的な動作を確保するのに役立ちます。 プラントの設計段階で制御バルブを適切に指定する必要性は、どれだけ強調してもしすぎることはありません。

制御バルブのサイズは、流量係数 (C v) と呼ばれるパラメータから導出されます。流量係数は、バルブ全体の圧力降下が 1 psi の場合に、60°F でバルブを通過する水の体積流量 (ガロン/分) として定義されます。 (C v は、規格 ISA-75.01.01-2007 に示されている式を使用して計算されます)。 プロセスエンジニアは、ベンダーが製造したバルブが要件に従って機能することを保証するために、制御バルブを指定する際に次の側面を考慮する必要があります。

1. コントロール性。 設計段階で制御バルブを指定する際、プロセス エンジニアは、最小流量と最大流量の間の全範囲にわたってバルブの制御性が良好であることを確認する必要があります。 これは、それぞれ最大流量と最小流量に対応する最大 C v と最小 C v を推定することによって行うことができます。 一般に、制御バルブの制御性は、最大流量での移動量が定格移動量の 90% を超えず、最小流量での移動量が定格移動量の 10 ～ 20% の範囲にある場合に合格とみなされます。 これは、推定最大 C v と推定最小 C v の比が 15 を超えないことが望ましいことを意味します。この比がこの値を大幅に超える場合、最小流量での移動量が定格移動量の 10% 未満になるか、最大流量での移動量が 10% 未満になる可能性があります。流量が定格移動量の 90% を超える場合があります。どちらのシナリオも、バルブの制御性が低いことを意味します。 その場合、式 (1) に示すように、目標比率を下げることができるように、制御バルブ全体の圧力降下を増加させる必要があります。 非圧縮性流体の場合、最大 C v と最小 C v の比は式 (1) で与えられます。

図 1. ここに示すのは典型的な制御弁回路であり、本文の説明で例示的に使用されています。

図 1 に、一般的な制御弁回路を示します。 次の注記により、さらに説明が追加されます。

図 1 を参照すると、x が制御バルブ回路 P 1 ABP 2 での圧力降下、y が最大流量時の制御バルブ AB での圧力降下である場合、回路の残りの部分 (パイプ、継手、熱交換器、流れ要素など。セグメント P 1 A および BP 2 で表されるように、最大​​流量の x–y です。

r が最大流量と最小流量の比、z が最小流量での回路 P 1 ABP 2 全体の圧力降下である場合、P 1 と P 2 の間の標高差を無視して、回路のその他の部分での圧力降下となります。最小流量での制御バルブ (つまり、P 1 A および BP 2) よりもおよそ = (x – y)/r 2 です。

最小流量時の制御バルブ AB での圧力降下はおよそ次のとおりです。

式 (1) と式 (2) から、( C v) max /(C v) min はおよそ次のようになります。

式 (3) から次の結論を導き出すことができます。

(C v) max /(C v) min はおよそ = [1 + (3.84 x/ y)] 0.5 です。これは、x/y 値が次の場合、(C v) max /(C v) min が約 3.5 であることを意味します。 3.0。 3.5 に近い (C v) max /(C v) min 値は、適度に良好な制御性に相当します。 したがって、良好な制御性を得るには、最大流量と最小流量がそれぞれ通常の 110% と 50% である場合、制御バルブでの圧力降下は、最大流量での回路全体の動的圧力降下の合計の約 3 分の 1 でなければならないと言えます。流れ。

式 (3) は非圧縮性流体に当てはまりますが、上記の結果は一般に、圧縮性流体にも合理的に当てはまります。

2. キャビテーション。 流体が制御バルブを通って流れるとき、最小圧力が収縮大静脈で発生し、その後流体が制御バルブの出口に到達するまで流路に沿って圧力が増加します。 大静脈は、流路内の流路面積が最小となり、速度が最大となり、したがって圧力が最小となる点です [1]。 液体の場合、収縮部の圧力が液体の蒸気圧より低い場合、蒸気の泡が形成されます。 収縮大静脈の下流では圧力回復が起こり、その結果、弁出口の圧力が収縮大静脈よりも高くなります。 制御バルブの出口の圧力が蒸気圧を超えると、蒸気が凝縮して泡が崩壊します。 気泡が潰れることでバルブ本体に衝撃が加わり、騒音が発生します。 この現象はキャビテーションと呼ばれます。

完全なキャビテーションは、制御バルブ全体の圧力降下が特定の最小圧力降下 (または臨界圧力降下) 以上で、制御バルブの出口の圧力が液体の蒸気圧を超えるときに発生します。 したがって、次の条件が満たされた場合に完全なキャビテーションが発生します [2]。

どこ：

P 1 = 制御バルブ入口の絶対圧力

P 2 = 制御バルブ出口の絶対圧力

FL = 液体圧力回復係数、次のように定義されます。

P vc = 大静脈収縮部の絶対圧

FF = 液体臨界圧力比係数

FF = 0.96–0.28 (P v / P c) 0.5

P c = 液体の絶対熱力学的臨界圧力

P v = 入口温度における液体の絶対蒸気圧

特定のバルブの FL の正確な値は、バルブ ベンダーの仕様書でのみ入手できますが、設計時にベンダーのカタログ、ISA-75.01.01-2007、またはその他の制御バルブの文献から指標値を取得できます。段階。

プロセスエンジニアは、制御バルブを指定するときにキャビテーションの可能性を最小限に抑えるように努める必要があります。 これは次の方法で実行できます。

液体を扱う制御弁のプロセスデータシートには、キャビテーションの発生を評価するために液体の熱力学的臨界圧力と蒸気圧を明記することが絶対に必要です。 完全なキャビテーションはチョーク流をもたらし、ΔP ≥ FL 2 (P 1 – FFP v) の場合に発生します。 ただし、圧力降下が臨界圧力降下より小さく、ΔP 初期キャビテーションより大きい場合には、チョーク流れを引き起こすことなく部分キャビテーションが発生する可能性があります [2]。

ΔP 初期キャビテーション =

どこ：

K c = FL より小さい初期キャビテーションの係数 [2]。

3. 複数の動作ケース。制御バルブは通常、最小、通常、最大流量と対応する圧力降下の 3 つのケースに対して指定されますが、3 つ以上の動作ケースが存在する場合があります。 このような状況では、通常の流量とそれに対応する圧力降下は通常の動作ケースに従って指定する必要がありますが、他の動作ケース (2 つ以上ある場合) は 2 つのケースに絞り込む必要があります。 動作ケースを絞り込む場合は、ケースごとに C v を推定する必要があります。 次に、最小および最大流量 (および対応する圧力降下) は、制御バルブの最小および最大 C v に対応するように指定する必要があり、他のすべてのケースに対応する C v は最小 C v と最小 C v の間にある必要があります。最大 C v。制御バルブが指定されている場合、実際の C v は利用できないため、推定された C v を使用する必要があります。

4. バルブの種類の選択。 コンパクトで一般に比較的低コストのバタフライ バルブが最初に選択されることがよくあります。 ただし、制約によりそうでない場合もあります。 たとえば、バルブ全体で大きな圧力降下が必要な場合は、グローブ バルブの方が良い選択となる可能性があります。 グローブバルブの抵抗はバタフライバルブの抵抗よりも高いため、適度なサイズのグローブバルブ全体でより高い圧力降下が得られます。

液体用途では、圧力損失が大きいとキャビテーションが発生する可能性があります。 グローブバルブの圧力回復係数は他のバルブスタイルよりも高くなる傾向があるため、グローブバルブを使用するとキャビテーションを回避できることがよくあります。

ガスの場合、高い圧力降下によりチョーキング流状態が発生し、過剰な騒音が発生する可能性があります。 ケージガイドトリムを使用したグローブバルブにより騒音を最小限に抑えることができます。 ただし、バルブ全体の圧力降下が低い場合は、バタフライ バルブの方が好ましい選択肢となる可能性があります。

一方、高いレンジアビリティが必要な場合には、V ノッチ ボール バルブが好ましい場合があります。 標準の丸ポートボールバルブは、通常、オンオフ用途に使用されます。 表 1 に、バルブ選択のガイドラインを示します。

5. 漏れ等級。 許容制御バルブシート漏れは、ANSI/FCI 70-02-2006 漏れクラスに基づいて指定されます。 この規格では、許容されるシート漏れの 6 つのクラス (クラス I、II、III、IV、V、および VI) が認められています。 クラス I は、最大許容漏れを意味します。 クラス VI は、最小許容漏れを意味します [3]。 一般に、CPI アプリケーション用の制御バルブは漏れクラス IV で指定されています。 ただし、厳密な遮断が必要な状況では、少なくともクラス V を指定する必要があります。 制御バルブがフレアに放出している場合、または点火されたヒーターまたは炉のバーナーへの燃料流量を (オン/オフ) 制御している場合、クラス VI 漏れで指定する必要があります。

6. 流量特性。 最も一般的なタイプの固有の流れ特性は次のとおりです [1]。

バルブの流量特性はトリムの設計によって異なります。 ボールバルブとバタフライバルブは固定特性を持っていますが、グローブバルブはプラグまたはケージの設計に応じて 3 つの特性のいずれかを持ちます。

流量特性のタイプは、制御されるパラメータまたはシステム内の圧力降下シナリオを考慮して、プロセス データシートで指定する必要があります。 流量制御やレベル制御の場合、一般に線形特性を指定する必要があります。 一般に、流量が変化してもバルブ全体の圧力降下がほぼ一定に保たれるように、圧力降下の大部分 (システム内の全圧力降下の割合として) がバルブ自体にかかる場合にも、線形特性を指定する必要があります。 等パーセント特性は、圧力制御、または総圧力降下の高い割合がバルブ以外のシステム (つまり、パイプ、継手、機器など) で発生する場合に指定する必要があります。 また、流量の変化に応じてバルブ全体の圧力降下が変化する場所も指定する必要があります。 オンオフ用途ではクイックオープン特性を指定する必要があります。 ほとんどの一般的なシステムと同様、制御バルブ全体の圧力降下は流量によって大幅に変化するため、等パーセンテージの流量特性が最も一般的に指定されます [1]。

スザンヌ・シェリー編集

1. エマソン プロセス マネジメント、『コントロール バルブ ハンドブック』、第 4 版、p. 18、101-1ページ 33–36、p. 46、pp. 59-60ページ。 109–110、p. 136.

2. 『Masoneilan Handbook for Control Valve Sizing』、第 7 版、7 ～ 8 ページ、p. 1987 年 10 日。

3. 米国国家規格、制御弁シートの漏れ、ANSI/FCI 70-2-2006、クリーブランド、Fluid Controls Institute, Inc.、p. 2006 年 2 日。

Satyendra Kumar Singh は、Simon India Limited のプロセス (部門長) です (Mehtab House, A-36, Ground Floor, Mohan Co-operative Industrial Estate, New Delhi-110044, India; 電子メール: [email protected]; [email protected])。 彼は、石油精製、石油化学、化学薬品、石油・ガス、アンモニアの分野におけるエンジニアリング コンサルティングおよびエンジニアリング調達建設において 24 年以上の経験を持っています。 シンは、ハーコート バトラー技術研究所 (インド、カーンプール) で化学技術の技術学士号 (優等) を取得し、インディラ ガンジー国立公開大学 (インド、ニューデリー) で経営管理修士号を取得しています。 彼は公認エンジニア (インド) であり、Institution of Engineers (インド) のフェローでもあります。 経営とエンジニアリングのテーマに関する多数の論文を発表しています。