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バタフライ バルブは、他のタイプのコントロール バルブよりも軽量で小型であるため、多くの用途で流量を調整するのに最適な選択肢です。従来、標準のバタフライ バルブは自動オン/オフ アプリケーションで使用されており、この役割に最適です。ただし、一部のエンジニアは、閉ループ システムでの流量調整に関してはバタフライ バルブは受け入れられないと考えています。
バタフライ バルブは、回転ディスクを使用してパイプを通る流れを制御します。ディスクは通常 90 度で作動するため、アングル ロータリー バルブと呼ばれることもあります。通常、経済性が考慮される場合に使用されます。タイトなシャットオフが必要な場合は、ソフト エラストマー シールやコーティングされたディスクを備えたバタフライ バルブを使用して、必要なパフォーマンスを実現できます。高性能バタフライ バルブ (HPBV)、またはダブル オフセット バルブは、現在、バタフライ コントロール バルブの業界標準であり、スロットル コントロールに広く使用されています。圧力降下が比較的一定であるアプリケーションやプロセス サイクルが遅いアプリケーションに適しています。
HPBV の利点には、直線的な流路、高容量、固体および粘性媒体を容易に通過させる能力などがあります。特に NPS 12 以上のサイズでは、どのバルブ タイプよりも設置コストが一般的に最も低くなります。12 インチを超えるサイズの他のタイプのバルブと比較して、コスト面での優位性が大幅に高まります。
幅広い温度範囲で優れた遮断性能を発揮し、ウェーハ、ラグ、ダブルフランジなど、さまざまなボディデザインが用意されています。他のタイプのバルブに比べてはるかに軽量でコンパクトです。たとえば、12 インチ ANSI クラス 150 ダブルフランジ セグメント ボール バルブの重量は 350 ポンド、面間寸法は 13.31 インチですが、12 インチ ラグ バタフライ バルブの同等品は重量がわずか 200 ポンド、面間寸法は 3 インチです。
バタフライ バルブには、特定の用途での流量制御に適さない制限がいくつかあります。これには、キャビテーションやフラッシュ蒸発の可能性がより高いグローブ ボール バルブと比較して、圧力降下能力が制限されていることが含まれます。
ディスクの大きな表面積がレバーのように機能し、流れる媒体の動的な力を駆動軸に適用するため、標準のバタフライ バルブは一般に高圧用途には使用されません。使用される場合は、アクチュエータのサイズと選択が重要になります。
バタフライ コントロール バルブは、サイズが大きすぎる場合があり、プロセス パフォーマンスに悪影響を与えることがあります。これは、ライン サイズのバルブ、特に大容量のバタフライ バルブの使用が原因である可能性があります。これは、2 つの方法でプロセス変動を増加させる可能性があります。まず、サイズが大きすぎると、バルブのゲインが大きくなりすぎて、コントローラーを調整する柔軟性が低下する可能性があります。次に、サイズが大きすぎるバルブは、バルブ開度が低いときに頻繁に動作し、バタフライ バルブのシール摩擦が大きくなる可能性があります。サイズが大きすぎるバルブは、バルブ移動の所定の増分に対して不釣り合いに大きなフロー変化を生成するため、この現象により、摩擦によるデッドバンドに関連するプロセス変動が大幅に誇張されます。
仕様者は、経済性を重視したり、制限に関係なく特定のライン サイズに適合させたりするために、バタフライ バルブを使用することがあります。パイプを挟み込むのを避けるためにバタフライ バルブを大きめのサイズにする傾向があり、これによりプロセス制御が不十分になる可能性があります。
最大の制限は、理想的なスロットル制御範囲がボール バルブやセグメント ボール バルブほど広くないことです。バタフライ バルブは通常、約 30% ～ 50% の開度の制御範囲外では適切に機能しません。
一般的に、制御ループが線形に動作し、プロセス ゲインが 1 に近い場合に、ループを制御するのが最も簡単になります。したがって、プロセス ゲイン 1.0 が適切なループ制御の目標となり、許容範囲は 0.5 ～ 2.0 (4:1 の範囲) になります。
ループ ゲインの大部分がコントローラから得られる場合、パフォーマンスは最高になります。図 1 のゲイン曲線では、バルブ移動量の約 25% 未満の領域でプロセス ゲインがかなり高くなることに注意してください。
プロセス ゲインは、プロセス出力と入力変化の関係を定義します。プロセス ゲインが 0.5 ～ 2.0 の範囲にあるストロークが、バルブの最適な制御範囲です。プロセス ゲインが 0.5 ～ 2.0 の範囲外にある場合、動的パフォーマンスが低下し、ループが不安定になる可能性があります。
バタフライ ディスクの設計は、バルブが閉じた状態から開いた状態に移行するときに、バルブの流量に大きな影響を与えます。固有の等パーセンテージ特性を持つディスクは、流量に応じて変化する圧力降下をより適切に補正できます。等パーセンテージ トリムは、変化する圧力降下に対して理想的な線形マウント特性を提供します。その結果、流量とバルブ移動間のより正確な 1 対 1 の変化が実現します。
バタフライ バルブには最近、等流量特性を備えたディスクが導入されました。これにより、より広いストロークにわたって、必要な 0.5 ～ 2.0 の範囲でインストール プロセス ゲインを実現できるインストール機能が提供されます。これにより、特に低い移動範囲でのスロットル制御が大幅に改善されます。
この設計では、約 11% の開度から 70% までの許容ゲインが 0.5 ～ 2.0 で良好な制御が可能であり、同じサイズの一般的な高性能バタフライ バルブ (HPBV) と比較して制御範囲がほぼ 3 倍に増加します。したがって、ディスクの割合が等しいと、全体的なプロセス変動が少なくなります。
コントロールディスク バルブなどの、本質的に等パーセンテージ特性を持つバタフライ バルブは、正確なスロットル制御性能を必要とするプロセスに最適です。プロセスの乱れに関係なく、目標設定点に近い値に制御できるため、プロセスの変動が低減します。
バタフライ バルブの性能が十分でない場合は、適切なサイズのバルブに交換するだけで問題は解決します。たとえば、製紙会社では、パルプからの水分除去を制御するために、特大サイズのバタフライ バルブを 2 つ使用しています。両方のバルブは 20% 未満の移動で操作され、プロセス変動はそれぞれ 3.5% と 8.0% でした。バルブの寿命のほとんどは手動モードで費やされます。
デジタル バルブ コントローラーを備えた適切なサイズの NPS 4 Fisher Control-Disk バタフライ バルブが 2 つ設置されました。ループは現在、特別なループ調整なしで、最初のバルブのプロセス変動が 3.5% ～ 1.6%、2 番目のバルブのプロセス変動が 8% ～ 3.0% の自動モードで実行されています。
製鉄所の冷却システムにおける水圧と流量の制御が不十分だったため、最終製品の品質にばらつきが生じました。設置された 9 台の HPBV では、要求どおりに水の流れを効果的に制御できませんでした。
工場では、プロセスをより適切に制御できるバルブを設置したいと考えており、設置コストを最小限に抑える必要がありました。工場では、各バルブの配管を交換して HPBV からセグメント ボール バルブに切り替えるために 10,000 ドルを費やす予定です。代わりに、Emerson では、現在の HPBV の面間寸法に適合する Control-Disk バタフライ バルブの使用を推奨しています。
コントロール ディスク バルブは、既存の 9 台の HPBV のうちの 1 台と並べてテストされ、指定された要件を満たす動作をしました。プラントは、コントロール ディスク バルブを装備した残りの 8 台の HPBV を 1 年以内に交換したため、セグメント ボール バルブ用の 90,000 ドルの配管を交換する必要がなくなりました。ボール バルブのコストは、バタフライ バルブよりも約 25% 高くなりました。
コントロールディスク バルブは正確な制御を提供し、最終製品のばらつきを排除するのに役立ちます。工場では、9 つのコントロールディスク バルブを設置することで、年間約 100 万ドルの節約になると見積もっています。
他のほとんどのバルブ タイプと比較して、デジタル ポジショナー付きの HPBV は初期設置コストが低く、適切なサイズであれば十分な制御範囲を提供します。容量が大きく、流量制限が最小限です。固有の等率トリムを備えたバタフライ バルブは、グローブ バルブやボール バルブと同様に制御範囲を拡張する機会を提供し、HPBV のスペースのみを占有します。
バルブ、特に HPBV を選択するときは、正しいサイズであることを確認してください。サイズが適切でないと、制御室で手動で制御される可能性があります。また、アプリケーションに対して最も広い範囲の制御を提供するバルブのスタイル、固有の特性、およびバルブのサイズを考慮することも重要です。
Mark Nymeyer 氏は、Emerson Automation Solutions のグローバル マーケティング コミュニケーション マネージャーであり、交通管制を担当しています。
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投稿日時: 2022年1月20日
