Uso de los cálculos de ganancia instalada de la válvula de control

Una hoja de trabajo que calcula la ganancia instalada de la válvula de control puede ser parte de cualquier proceso de selección de válvulas de control. Este artículo se publicó originalmente en la edición de diciembre de 2021 de la revista InTech.

Durante muchos años, el autor ha utilizado y promovido el uso de gráficos de flujo y ganancia de válvulas de control instaladas como parte del proceso de selección de válvulas de control (referencias 1–3). Durante todos esos años, el autor ha tenido la ventaja de estar asociado con un fabricante de válvulas con una aplicación de dimensionamiento de válvulas de control disponible públicamente que incluía la capacidad instalada de gráficos de flujo y ganancia. Los usuarios que preferían otras marcas de válvulas de control y, por lo tanto, las aplicaciones de dimensionamiento de válvulas de control de esos fabricantes, dudaban en aprender a usar una nueva aplicación para aprovechar la capacidad gráfica. Recientemente, el autor publicó un artículo que incluía instrucciones detalladas para construir una hoja de cálculo de Microsoft Excel que genera gráficos de caudal y ganancia instalados junto con cálculos de dimensionamiento de válvulas realizados con cualquier aplicación de dimensionamiento de válvulas. Esto hace que sea práctico para cualquiera incorporar gráficos de flujo instalado y ganancia en su proceso de selección de válvulas (referencia 4). Este artículo explica cómo utilizar los cálculos de ganancia instalada de la válvula de control.

Las ganancias extremadamente bajas son indeseables, porque una ganancia baja significa que cuando la válvula se mueve, el flujo no cambia mucho. Puede que no sea tan obvio por qué las altas ganancias no son deseables. Puede ser deseable un amplificador de audio con una alta ganancia. Pero las válvulas de control son dispositivos mecánicos, y las partes que se mueven mientras están en contacto tienden a atascarse cuando no se mueven. Si una válvula, debido a que tiende a atascarse cuando no se mueve, solo se puede colocar dentro del 2 % de la posición deseada y tiene una ganancia de 4, el flujo solo se puede ajustar en pasos del 8 %, lo que puede no ser deseable. La razón para limitar el cambio de ganancia dentro del rango de flujo requerido a 2:1 es que será más fácil ajustar el controlador para una respuesta rápida y estable en todo el rango de flujo requerido. Para calcular y graficar el flujo instalado y la ganancia usando la referencia 4 hoja de trabajo, el modelo de proceso y la hoja de trabajo requieren la siguiente información sobre el proceso:

Los valores de P1 y P2 en el flujo de diseño mínimo y máximo deben obtenerse mediante un análisis de las pérdidas de presión por fricción y los cambios de presión estática en el sistema aguas arriba y aguas abajo de la válvula de control (referencias 5 y 6). La referencia 4 provocó varias consultas sobre qué aplicaciones serían candidatas para el análisis de gráfico de ganancia y flujo instalado. A continuación se presentan algunos de los más comunes.

La figura 2 muestra una hoja de cálculo de tamaño de válvula de control de Excel de un usuario. El rango de CV calculado parece mostrar que una válvula de control de bola de segmento de 6 pulgadas estaría operando con aproximadamente un 20 % a un 78 % de apertura desde el flujo de diseño mínimo hasta el flujo de diseño máximo. Un cálculo de caudal y ganancia instalado arrojó resultados sorprendentes (Figura 3).

El gráfico de flujo instalado muestra el flujo mínimo especificado que se cruza con el gráfico de flujo instalado con un recorrido relativo del 20 %, y el flujo de diseño máximo que se cruza con el gráfico de flujo instalado un poco por debajo del 80 % del recorrido relativo, lo que concuerda con el cálculo del usuario. Lo que el cálculo del usuario no mostró es que el 95 % del flujo completamente abierto de la válvula se encuentra en el flujo máximo de diseño, lo que no deja ningún factor de seguridad en el extremo superior. Aproximadamente al 60 % del recorrido (recorrido relativo de 0,6), el gráfico de flujo instalado comienza a redondearse hacia una pendiente mucho menos profunda. Este hecho se identifica en el gráfico de ganancia instalada donde la ganancia instalada cae por debajo de 0,5, lo que enfatiza el hecho de que los cambios en la posición de la válvula tendrían solo un pequeño efecto en el flujo del sistema. El cambio de ganancia del flujo de diseño máximo (Q/Qmax) y la ganancia máxima en el gráfico es superior a 4:1, lo que dificulta ajustar el controlador para un control rápido y estable. Resultó que el problema radica en la elección de la bomba del usuario.

La referencia 4 no incluye la capacidad de graficar lo que sucede con P1 y P2 y, por lo tanto, el diferencial de presión disponible para la válvula. Sin embargo, la hoja de trabajo de referencia 4 tiene una tabulación de P1 y P2, por lo que construir un gráfico de P1 y P2 versus el recorrido relativo de la válvula fue simple. En el gráfico de nivel de presión instalado, a medida que la carrera relativa de la válvula se acerca a 0,8 (80 % de la carrera de la válvula), la caída de presión disponible para la válvula disminuye rápidamente.

El usuario encontró una bomba con una curva de cabeza ligeramente más alta y más plana. Un nuevo análisis del sistema aguas arriba proporcionó los valores revisados ​​de P1 y DELTA P que se muestran en rojo en la Figura 4. Al colocar estos nuevos valores de P1 y DELTA P en el programa de dimensionamiento de válvulas del usuario y en la hoja de trabajo de referencia 4, se obtienen los gráficos de la Figura 4. La válvula ahora está operando entre 25% y 75% de recorrido. El caudal máximo de diseño es ahora ligeramente inferior al 80 % del caudal completamente abierto, lo que proporciona un amplio factor de seguridad en el extremo superior del rango. El gráfico de ganancia instalado es mucho más plano y se encuentra dentro de los límites sugeridos.

La figura 5 se basa en una aplicación en la que el diseñador del sistema recomendó una válvula de bola de segmento de 10 pulgadas después de examinar los gráficos de flujo y ganancia instalados y determinar que la válvula de segmento era una buena opción. El agente de compras comentó que una válvula de mariposa de alto rendimiento de 10 pulgadas costaría aproximadamente un tercio menos que la válvula de bola de segmento. El diseñador del sistema acordó investigar la aplicabilidad de una válvula de mariposa de alto rendimiento, sabiendo que los dos estilos de válvula tienen características de flujo inherentes bastante diferentes. Las válvulas de bola de segmento tienden a tener una característica de igual porcentaje casi perfecta. Las válvulas de mariposa de alto rendimiento tienden a tener una característica de flujo inherente entre lineal y de igual porcentaje.

Surgió una pregunta con respecto a la caída de presión a utilizar al dimensionar una válvula de control. Suponiendo un sistema que ya ha sido diseñado, la presión de dimensionamiento no puede asignarse arbitrariamente, pero los valores de P1 y P2 deben obtenerse mediante un análisis de las pérdidas de presión por fricción y los cambios de presión estática en el sistema, tanto aguas arriba como aguas abajo del control. válvula. La situación ideal es donde la persona que selecciona la válvula de control tiene voz para determinar cuál será la caída de presión de la válvula de control, generalmente especificando la bomba que se utilizará. Puede ser útil usar un análisis de ganancia instalada de varias bombas que podrían ser adecuadas. Para demostrar cómo se puede hacer esto, se considerarán tres bombas posibles para el sistema que se muestra en la Figura 6, y se considerará la que permita un control satisfactorio y minimice el consumo de energía. ser seleccionado Se muestran las curvas de P1, la presión aguas arriba de la válvula, para cada una de las tres bombas, junto con la potencia requerida por cada una a un caudal normal de 400 gpm. Estas curvas tienen una pendiente descendente en proporción al cuadrado del flujo desde la cabeza de la bomba de 100 gpm (45, 60 y 75 psig, respectivamente, para las bombas A, B y C) hasta una presión de 10 psi más baja debido al efecto combinado de los 5 psi de pérdida de presión en la tubería aguas arriba y la disminución de 5 psi en el cabezal de la bomba de 100 gpm a 600 gpm indicados en la figura. La curva para P2, la presión en la salida de la válvula de control, comienza con la cabeza estática del tanque de 10 psig a flujos muy bajos y aumenta en proporción al cuadrado del flujo a 30 psig a medida que las pérdidas de presión de la tubería aguas abajo y del intercambiador de calor aumentan a su valor máximo. Valores de 600 gpm.

Las caídas de presión de la válvula de control (la diferencia entre P1 y P2) se indican en la figura mediante las flechas en el lado izquierdo de la figura para 100 gpm y en el lado derecho de la figura para 600 gpm. El análisis se realiza en base al uso de una válvula de bola de segmento. El gráfico en la parte inferior izquierda de la Figura 6 muestra las características de flujo instaladas calculadas. Tenga en cuenta que los gráficos de flujo instalado generados por la hoja de trabajo del gráfico de referencia 4 son de flujo relativo, por lo que 1,0 es el 100 % del flujo totalmente abierto, que es diferente para cada uno de los tres casos. Lo que es interesante son los gráficos de ganancia instalados. Con la bomba de 17 hp, además de requerir una válvula de 6 pulgadas más costosa, el gráfico de ganancia se ve terrible. La ganancia instalada es la más alta de las tres (lo que significa un mayor error de flujo para el mismo error de posición de la válvula), cae a 0,4 a medida que se acerca al flujo máximo de diseño (la línea vertical roja en 1,0 en la escala Q/Qmax) y la variación de ganancia sobre el rango de flujo es casi 7:1, mucho mayor que la recomendación de 2:1. Esto es lo suficientemente grande como para que sea difícil encontrar parámetros de ajuste proporcionales-integrales-derivados (PID) que proporcionen un control bueno y estable sobre todo el rango de flujo requerido. Los gráficos de ganancia de las bombas de 23 hp y 29 hp se encuentran dentro de los criterios de ganancia recomendados, pero la bomba de 23 hp es la ganadora porque su ganancia está más cerca de 1,0 y también es la más económica de operar de las dos. .Referencias

1. Monsen, Jon, Rules of Thumb, Flow Control, noviembre de 2012, págs. 24–262. Monsen, Jon, An Insider's Guide to Installed Gain as a Control Valve Sizing Criterion, Flow Control, mayo de 2015, págs. 22-25.3. Monsen, Jon, Modern Tools for Sizing Control Valves & Actuators, Processing, enero de 2018, págs. 12-144. Monsen, Jon, Calculating the Installed Flow and Gain of a Control Valve, Process Instrumentation, marzo de 2021, págs. 26–30. (La hoja de trabajo descrita en la referencia y una versión mejorada están disponibles.)5. Jessee, Peter, Determinación de la caída de presión para el dimensionamiento de válvulas de control, control de caudal, agosto de 2000, págs. 12-14,6. Coggan, D. A, ed., "Fundamentals of Industrial Control", Segunda edición, Research Triangle Park, NC: Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA) (ahora International Society of Automation—ISA), 2004. págs. 278–280.

Este artículo se publicó originalmente en la edición de diciembre de 2021 de la revista InTech.

Jon F. Monsen, PhD, PE, es consultor de tecnología de válvulas de control para Valin Corp., autor del capítulo sobre "Tamaño de válvulas de control computarizado" en el Libro de guías prácticas de ISA sobre válvulas de control, y autor del libro Válvula de control Tecnología de aplicación: técnicas y consideraciones para seleccionar correctamente la válvula de control adecuada. Con sus más de 40 años de experiencia, ha dado conferencias a nivel nacional e internacional sobre la aplicación y el dimensionamiento de válvulas de control, y tiene un sitio web donde ofrece información gratuita y hojas de trabajo en Excel para quienes especifican o usan válvulas de control.

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