コントロールバルブの「不感帯」の解析

デッドバンドは、大規模なプロセスにおける逸脱の主な原因です。コントロール バルブは、摩擦、空気移動、スプールのねじれ、増幅器またはスライドバルブのデッドバンドなど、さまざまな理由で計装ループのデッドバンドの主な原因となります。

デッドバンドは一般的な現象であり、入力信号が方向を変えたときにテスト中のプロセス変数が変化することを許可しないコントローラー出力値の範囲または幅を指します。負荷外乱が発生すると、プロセス変数は設定値から逸脱します。このデ違反は、コントローラによって生成された修正アクションによって修正され、プロセスに戻されます。しかしながら、コントローラ出力の最初の変化は、プロセス変数の対応する補正変化を生じないかもしれない。対応するプロセス変数の変化は、不感帯の変化を克服するのに十分な量だけコントローラ出力が変化する場合にのみ発生します。

コントローラの出力が方向を変える場合、プロセス変数の修正的な変化を生成するために、コントローラの信号は不感帯を克服する必要があります。そうして初めて、是正措置が取られます。

… 不感帯の原因

デッドバンドには多くの原因がありますが、コントロール バルブの摩擦と空気移動、ロータリー バルブのスピンドルのねじれ、アンプのデッドバンドは、いくつかの一般的な形態です。ほとんどの変調制御動作は小さな信号変化 (1% 以下) で構成されているため、不感帯が大きいコントロール バルブは、非常に多くの小さな信号変化にまったく応答しない場合があります。適切に製造されたバルブは、プロセス偏差の程度を効果的に減らすために、1% 以下の信号に応答できる必要があります。ただし、バルブが 5% 以上の不感帯を持つことは珍しくありません。最近のプラント監査では、バルブの 30% に 4% 以上の不感帯があることがわかりました。監査された制御ループの 65% 以上で、デッドバンドが 2% を超えていました。

● 不感帯の影響

このグラフは、通常のプロセス条件下での 3 つの異なるコントロール バルブの開ループ ループ テストを表しています。これらのバルブは、0.5% から 10% までの範囲のステップ入力を受け取ります。ほとんどの標準試験の場合のようにバルブアクチュエータだけでなく、これらの条件では制御バルブアセンブリ全体の性能を評価できるため、流体条件下でのステップテストが必要です。

● 性能テスト

コントロール バルブの性能のテストの中には、入力信号とアクチュエータ プッシュロッドのストロークの比較に限定されるものがあります。これは、バルブ自体の性能を無視しているため、誤解を招く可能性があります。

重要なことは、プロセス変数の変化をバルブアセンブリへの入力信号の変化と比較できるように、流体条件下でバルブの動的性能を測定することです。バルブステムのみがバルブ入力信号の変化に応答する場合、このテストはほとんど意味がありません。これは、制御変数の対応する変化がなければ、プロセス偏差の補正がないからです。

3 つのすべてのバルブ テストで、アクチュエータ プッシュ ロッドの動きは、入力信号の変化によく反応しました。一方、バルブは、入力信号の変化に応答して流量を変化させる能力がかなり異なっていました。

プロセス変数 (流量) であるバルブ A は、0.5% という小さな入力信号によく反応します。

バルブ B は、各入力信号ステップに適切に応答し始める前に、5% を超える入力信号の変化を必要とします。

バルブ C は、さらに悪いことに、各入力信号ステップに適切に応答し始める前に、10% を超える信号の変化を必要とします。

全体として、プロセス偏差を改善するバルブ B または C の能力は非常に低いです。

● 摩擦

摩擦は、制御弁の不感帯の主な原因です。ロータリーバルブは、シーリングに必要な高いシート荷重によって引き起こされる摩擦に非常に敏感です。一部のシール タイプでは、密閉定格を得るために高いシート荷重が必要です。摩擦力が高く、駆動ひずみの剛性が低いため、バルブ シャフトがねじれ、制御要素に動きを伝達できません。その結果、設計が不十分な回転弁は、明らかにプロセス偏差の程度に決定的な影響を与える大きな不感帯を示す可能性があります。

製造業者は通常、製造工程でロータリーバルブのシールに潤滑剤を塗布しますが、わずか数百回のサイクルで潤滑層が摩耗します。さらに、圧力による負荷もシールの摩耗を引き起こす可能性があります。その結果、バルブの種類によっては、バルブの摩擦が 400% 以上増加する場合があります。これにより、標準タイプのデータを使用してトルクが安定する前にバルブを評価して性能について導き出した結論が誤解を招くものであることは明らかです。バルブ B と C は、これらの高摩擦トルク要因が制御バルブの性能に壊滅的な影響を与える可能性があることを示しています。

間接ストローク制御弁の摩擦の主な原因はパッキンの摩擦です。これらのタイプのバルブでは、測定された摩擦は、バルブの形状とパッキンの構成によって大きく異なる場合があります。

このギャップは、デバイスが方向を変えるときに動きの不連続を引き起こす可能性があります。ギャップは、通常、ギアドライブのさまざまな構成を備えたデバイスで発生します。ラック アンド ピニオン アクチュエータは、クリアランスによるデッドバンドの影響を特に受けやすくなっています。一部のバルブ スピンドル接続にも不感帯の問題があります。

良好なバルブ設計によりフリクションを大幅に低減することはできますが、完全になくすことは難しい問題です。適切に設計および製造されたコントロール バルブは、クリアランスによるデッドバンドを排除できるはずです。プロセス偏差を減らす最適な結果を得るには、バルブ アセンブリ全体の合計デッド スペースを 1% 以下にする必要があります。理想的な結果は 0.25% です。