Praktisk Prosessregulering 3:8

Vriene ventiler

Her er andre og siste del av ”fra Bernoullis ligning til mekanisk energibalanse, reguleringsventiler og ventilkarakteristikker”.

Arbeid med ventiler på Kårstø.
Arbeid med ventiler på Kårstø. (Bilde: Statoil)

Her er andre og siste del av ”fra Bernoullis ligning til mekanisk energibalanse, reguleringsventiler og ventilkarakteristikker”.

Praktisk Prosessregulering

Artikkelserien ”Praktisk Prosessregulering” er utviklet av Dr. ing. Morten Christian Svensson i samarbeid med Automatisering. Her står det praktiske i fokus, framfor en teoretisk, matematisk tilnærming.

Av Dr. ing. Morten Christian Svensson.

 

Ventilen er vital, men også utfordrende. Reguleringsventiler er ofte problembarna i prosessindustrien. Vil du være nanny?

 

Undersøkelser fra prosessindustrien viser at reguleringssløyfer med reguleringsventiler ofte har problemer. De mest vanlige ”problembarna” er ute av tuning, svingninger, og sløyfene tåler lite motgang (les ulinearitet) før de ”stikker av”. Selv enkle nivå- og strømningssløyfer er feiltunet. De tre viktigste årsakene er:

  1. Feildimensjonerte reguleringsventiler. Optimistiske salgssjefer, kombinert med lite prosesskunnskap og dataunderlag, resulterer ofte i en for stor ventil.
  2. Grensesvingninger blir ofte feiltolket, og betraktet som et tuningsproblem. Eksperter skrur og skrur, uten å løse problemet, og den opprinnelige regulatorinnstillingen glemmes. Grensesvingninger behandles senere i denne artikkelserien.
  3. Feil valg av intern ventilkarakteristikk. Den interne ventilkarakteristikken benyttes for å korrigere for det variable trykkfallet over ventilen. Valget står ofte mellom en lineær eller likeprosentlig karakteristikk.

 

Ventilligning

 

Ventilligningen brukes til å beregne volumstrømmen, Q, gjennom reguleringsventilen:

 

 

Ventilens kapasitet er avhengig av ventilposisjon, vp:

 

Fordelen med å benytte Av, og ikke Kv eller Cv, er at vi kan betrakte Av som det åpningsarealet mediet ser når det passerer ventilen. Avmax er da det maksimale åpningsarealet ved helt åpen ventil, dvs. vp=1 (vp=1 tilsvarer helt åpen ventil, vp=0 tilsvarer helt stengt ventil).

 

Funksjonen f(vp) kalles ventilens ”interne karakteristikk”, og denne viser hvordan åpningsarealet Av varierer med ventilposisjonen vp. Den interne karakteristikken er altså bestemt av ventilens indre form. Figuren viser eksempler på forskjellige, interne karakteristikker. Det ryktes at prosessoperatørene i gamle dager filte sine helt spesielle ventilkarakteristikker for å få god regulering, og at dette var godt bevarte hemmeligheter.

 

Ventildimensjonering

 

Når du skal velge ventil, er den første utfordringen å bestemme ventilens maksimale kapasitet, Avmax. Du må da snu på ventilligningen:

 

 

Hvem har bestemt maksimal volumstrøm Qmax, og hvor mange optimistiske påslag har det vært på veien gjennom bedriften? Hvor stor er Hv, og varierer denne (se "Praktisk Prosessregulering" del 2A)? Hvorfor setter ventilleverandørene Hv nesten alltid lik 5 mVS (0,5 bar)?

 

Intern og installert ventilkarakteristikk

Sammenligning av trykkfallet ved maks. volumstrøm, Hv1,
med trykkfallet ved stengt ventil, Hv0.
Sammenligning av trykkfallet ved maks. volumstrøm, Hv1,med trykkfallet ved stengt ventil, Hv0.
 

Ventilens installerte karakteristikk er sammenhengen mellom volumstrømmen gjennom ventilen og ventilposisjonen. Dersom trykkfallet over ventilen ikke varierer, vil den installerte karakteristikken være lik den interne karakteristikken. Ved variabelt trykkfall vil karakteristikkene være forskjellig. Jo mer lineær (rett linje) installert karakteristikk, desto bedre regulering. Vi vil utdype dette temaet i en egen artikkel om stasjonære prosesskarakteristikker.

 

I figuren sammenlignes trykkfallet ved maksimal volumstrøm, Hv1, med trykkfallet ved stengt ventil, Hv0. Forholdet mellom disse kaller vi r (r= Hv1/Hv0).

 

Du kan nå beregne den installerte karakteristikken z(vp) ut fra den interne f(vp) med hjelp av følgende ligning:

 

 

Neste figur viser installert karakteristikk ved varierende r for en lineær og likeprosentlig karakteristikk. Vi ser at ved r = 1 (ingen trykkendring), er den installerte karakteristikken lik den interne.

 

Forholdsregulering

Fra figuren ser vi at en lineær karakteristikk bør brukes ved moderat trykkendring. Er trykkendringen betydelig, bør vi derimot velge en likeprosentlig karakteristikk. Les gjerne mer om ventilkarakteristikker i denne utgaven av ”Ventilenes Verden” del III, se under opplæringsmenyen til venstre.
Fra figuren ser vi at en lineær karakteristikk bør brukes ved moderat trykkendring. Er trykkendringen betydelig, bør vi derimot velge en likeprosentlig karakteristikk. Les gjerne mer om ventilkarakteristikker i denne utgaven av ”Ventilenes Verden” del III, se under opplæringsmenyen til venstre.
 

Å regulere to eller flere strømmer, i et bestemt forhold, kalles forholdsregulering. Figuren viser to måter å realisere dette på. Til venstre beregnes forholdet mellom strømmene inne i reguleringssløyfen, og vi får en uønsket ulinearitet i denne. I figuren til høyre benyttes en Ratio Station (RS) som beregner settpunktet til strømningsreguleringssløyfen. Dette er den anbefalte måten å realisere forholdsregulering på.

 

Hva betyr kvadratrottegnet, og hvorfor benytter vi kvadratrot her? Dette spørsmålet kommer vi tilbake til i artikkelen om stasjonære prosesskarakteristikker. Men, i neste artikkel står PID-regulatoren på læreplanen.

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå