سایزینگ کنترل ولو

سایزینگ کنترل ولو فرآیندی است که برای تعیین اندازه مناسب یک کنترل ولو برای یک کاربرد خاص استفاده می‌شود.

این فرآیند شامل در نظر گرفتن عوامل مختلفی از جمله جریان سیال، افت فشار، و دقت کنترل مورد نیاز است.

به عنوان یک مهندس وقتی برای اولین بار مسئولیت انتخاب کنترل ولو یک خط بخار ۴۵ بار را بر عهده گرفتم، فکر می‌کردم فقط کافی است کاتالوگ سازنده را باز کنم و یک مدل مناسب فشار و دبی پیدا کنم.

اما پس از اولین استارت واحد، لرزش شدید ولو، نشت از پکینگ و کنترل ناپایدار دمای خروجی به من فهماند که سایزینگ صحیح کنترل ولو، فراتر از انتخاب بر اساس سایز نامی لوله است. این درس، پایه تجربه‌هایی شد که در ادامه با شما به اشتراک می‌گذارم.

عوامل مؤثر در سایزینگ کنترل ولو

عواملی که باید در هنگام سایزینگ کنترل ولو در نظر گرفته شوند عبارتند از:

جریان سیال: کنترل ولو باید جریان سیال مورد نیاز سیستم را کنترل کند.

برای تعیین جریان سیال مورد نیاز، باید مشخصات سیستم ، مانند اندازه خط لوله، نوع سیال، و سرعت جریان را در نظر بگیرید.

افت فشار: کنترل ولو باعث افت فشار در سیستم می شود. افت فشار باید قابل قبول باشد و نباید بر عملکرد سایر تجهیزات سیستم تأثیر بگذارد.

 دقت کنترل: کنترل ولو باید بتواند جریان سیال را با دقت مورد نیاز کنترل کند. دقت کنترل مورد نیاز به کاربرد خاص بستگی دارد.

هنگامی که کنترل ولو ها در حال  نیمه باز و نیمه بسته کار می کنند، در سیستم های فرآیندی تقریباً همان هدفی را دارند که ممقاومت در مدارهای الکتریکی انجام می دهند.

اتلاف انرژی در کنترل ولو ها به این صورت است که انرژی تلف شده بیشتر به شکل گرما است، اگرچه بخشی از انرژی تلف شده به صورت ارتعاش و نویز ظاهر می شود.

صدای دریچه(نویز)ممکن است در برخی موارد شدید باشد، به ویژه در برخی کاربردهای جریان گاز.

در اکثر شیرهای کنترلی، مکانیسم غالب اتلاف انرژی در نتیجه تلاطم وارد شده به سیال در حین حرکت از طریق بخش‌های منقبض برش سوپاپ است.

اصول اندازه گیری کنترل ولو

عمل انتخاب یک شیر کنترلی مناسب برای اتلاف انرژی مورد انتظار، اندازه شیر نامیده می شود.

یک کنتر ولو با سایز کوچک باعث ایجاد مشکلات متعددی از جمله محدودیت جریان (جریان خفه شده) می شود .

جایی که کنترل ولو قادر به ارائه دبی مورد نیاز حتی در صورت باز شدن کامل نیست. جریان محدود می تواند باعث افت فشار لحظه ای و در نتیجه کاویتاسیون شود، پدیده ای که در آن تشکیل و سپس انفجار ناگهانی حباب ها باعث فرسایش می شود..

یکی دیگر از مشکلات رایج کنترل ولو فلش است.

چشمک زدن زمانی اتفاق می افتد که یک مایع به دلیل افت فشار در ورید منقبض شده تبخیر می شود و که باعث  فرسایش است.

یک دریچه کنترل ولو بزرگ، وضوح کنترل را در مقایسه با یک شیر کنترل با اندازه مناسب از بین  می برد.

قاعده کلی این است که برای سایزینگ کنترل ولو را اندازه کنید تا حداکثر محدوده ممکن را مورد استفاده قرار دهید و نقطه تنظیم مورد نظر تقریباً در 60٪ الی 80٪ حداکثر رخ می دهد که شرایط ایده آل نقطه تنظیم فرآیند است.

چرا سایزینگ کنترل ولو مهم است؟

انتخاب نادرست سایز یک کنترل ولو می‌تواند:

• کنترل فرآیند را ناپایدار کند (Hunting، Overshooting)
• سایش سریع اجزای داخلی را ایجاد کند
• انرژی و سیال را هدر دهد
• راندمان کل سیستم را کاهش دهد

یک ولو بزرگ‌تر از نیاز، شاید در نگاه اول «ایمن» به نظر برسد، اما در عمل باعث باز شدن اندک (کمتر از ۳۰٪ Stroke) و از دست رفتن دقت کنترل می‌شود. برعکس، ولو کوچک باعث افت فشار بیش‌از‌حد و ناتوانی در رسیدن به ظرفیت نامی خواهد شد.

مراحل اصولی سایزینگ کنترل ولو

جمع‌آوری داده‌های فرآیندی

• قبل از هر محاسبه‌ای، باید داده‌ها کامل باشند:
• نوع سیال (مایع، گاز، بخار اشباع یا فوق‌داغ)
• فشار ورودی (P1) و فشار خروجی (P2)
• دمای سیال
• دبی حداکثر، حداقل و نرمال
• ویسکوزیته یا چگالی سیال

تجربه: در یک خط انتقال آب خنک‌کاری، تغییر چگالی آب به دلیل افزودن مواد شیمیایی ضد رسوب باعث شد Cv مورد نیاز، ۱۰٪ کمتر از مقدار طراحی اولیه درآید.

تعیین افت فشار مؤثر (ΔP)

افت فشار باید به گونه‌ای باشد که ولو توانایی کنترل را داشته باشد ولی انرژی بیش‌ازحد هدر نرود.قاعده تجربی:

برای مایعات، ۱۰ تا ۳۰٪ فشار سیستم را می‌توان به ولو اختصاص داد.

برای گازها و بخار، این مقدار بسته به نسبت فشار و شرایط Critical Flow متفاوت است.

 محاسبه ضریب جریان (Cv یا Kv)

فرمول کلی برای مایعات غیر قابل تراکم:

• Q  دبی (GPM)
• ΔP  افت فشار (psi)
• SG  وزن مخصوص سیال

برای گازها و بخار، باید اصلاحات مربوط به چگالی و فشار نسبی لحاظ شود.

انتخاب سایز واقعی ولو

سایز نامی لوله با سایز ولو یکی نیست. معمولاً ولو یک سایز کوچک‌تر انتخاب می‌شود تا عملکرد پایدارتر باشد.

بازشدن ایده‌آل کنترل ولو در حالت طراحی بین ۶۰ تا ۸۰٪ Stroke است.

 بررسی مشخصه جریان (Flow Characteristic)

سه مشخصه اصلی:

• Equal Percentage: برای تغییرات بزرگ دبی و فشار، مثل بخار
• Linear: برای کنترل دقیق در محدوده تقریباً ثابت فشار
• Quick Opening: برای سرویس‌های On/Off و ایمنی

تجربه: در یک واحد ریفاینری، تغییر مشخصه از Linear به Equal Percentage باعث شد کنترل دمای خروجی مبدل پایدار شود و مصرف بخار ۵٪ کاهش پیدا کند.

 ارزیابی پدیده‌های آیرودینامیکی و هیدرودینامیکی

• کاویتاسیون: در مایعات با افت فشار زیاد خطر شکست حفره‌ها و خوردگی
• فلاشینگ کنترل ولو: تبخیر ناگهانی مایع و فرسایش شدید
• Choked Flow: محدودیت سرعت بحرانی در گازها و بخار

راهکار:

• استفاده از Trim ضدکاویتاسیون
• تقسیم افت فشار در چند استیج
• تغییر طراحی مسیر سیال داخل ولو
• روش‌های سایزینگ کنترل ولو

استفاده از نمودار

برای سایزینگ کنترل ولو، می توان از روش های مختلفی استفاده کرد.

یکی از روش های رایج، استفاده از نمودارهای سایزینگ کنترل ولو است.

این نمودارها جریان سیال، افت فشار، و دقت کنترل مورد نیاز را در نظر می گیرند و اندازه مناسب کنترل ولو را برای هر شرایط خاص تعیین می کنند.

استفاده از نرم افزار سایزینگ کنترل ولو

روش دیگر سایزینگ کنترل ولو، استفاده از نرم افزارهای طراحی کنترل ولو است.

این نرم افزارها عوامل مختلفی را در نظر می گیرند و اندازه مناسب کنترل ولو را برای هر شرایط خاص تعیین می کنند.

از یک نمونه از نرم افزارهای سایزینگ کنترل ولو می توان به نرم‌افزار Bray Sizing Program که یک نرم‌افزار کنترلی قدرتمند برای اندازه‌گیری کنترل ولو ها است که محاسبات سایزینگ کنترل ولو را به‌طور خودکار انجام می‌دهد.

نرم افزار اندازه گیری BII یک برگه مشخصات ISA را بر اساس نیازهای  جریان کنترل ولو شما تولید می کند و می تواند کاویتاسیون، نویز و Cv را در دهانه های مختلف پیش بینی کند و از دقت در عملیات اطمینان حاصل کند.

در نهایت، می توان از یک مهندس کنترل ولو برای کمک به سایزینگ کنترل ولو استفاده کرد.

مهندس کنترل ولو می تواند عوامل مختلف را در نظر بگیرد و اندازه مناسب کنترل ولو را برای کاربرد خاص شما تعیین کند.

مثال

فرض کنید یک سیستم با جریان سیال 100 لیتر در دقیقه دارید.

افت فشار قابل قبول در سیستم 10 پاسکال است و دقت کنترل مورد نیاز 10% است.

از نمودارهای سایزینگ کنترل ولو می توان برای تعیین اندازه مناسب کنترل ولو استفاده کرد.

با استفاده از این نمودارها، می توان دریافت که اندازه مناسب کنترل ولو برای این شرایط یک کنترل ولو با اندازه 2 اینچ است.

فیزیک اتلاف انرژی در یک جریان سیال متلاطم

دریچه‌های کنترل از نظر توانایی در کاهش جریان سیال به همان روشی که مقاومت‌ها در توانایی آنها در مهار جریان الکترون‌ها در یک مدار رتبه‌بندی می‌شوند.

برای مقاومت‌ها، واحد اندازه‌گیری محدودیت جریان الکترون اهم است: 1 اهم مقاومت منجر به افت ولتاژ 1 ولتی در آن مقاومت می‌شود.

قانون اهم یک رابطه ساده و خطی است که بیانگر «اصطکاک» حامل‌های بار الکتریکی در حین حرکت آهسته در یک جسم جامد است.

هنگامی که یک سیال به طور متلاطم از طریق هر محدودیتی حرکت می کند، انرژی ناگزیر در آن آشفتگی تلف می شود.

مقدار انرژی تلف شده متناسب با انرژی جنبشی حرکت آشفته است که مطابق معادله انرژی جنبشی کلاسیک برای اجسام متحرک با مجذور سرعت متناسب است.

می دانیم که مقدار انرژی تلف شده توسط تلاطم در چنین جریان سیالی مقداری (k) از کل انرژی جنبشی خواهد بود.

هر انرژی از دست رفته در تلاطم در نهایت به عنوان کاهش فشار سیال در پایین دست آن آشفتگی ظاهر می شود.

بنابراین، یک شیر کنترلی (کنترل ولو)که جریان سیال را خنثی می کند.

فشار بالادست بیشتری نسبت به فشار پایین دست خواهد داشت (با فرض اینکه همه عوامل دیگر مانند اندازه لوله و ارتفاع بالاتر از سطح زمین در پایین دست با بالادست یکسان باشند)

برای یک کنترل ولو که یک جریان مایع را تحت فشار قرار می دهد.

تنها اولین و آخرین متغیرها با موقعیت ساقه تغییر می کنند و چگالی سیال نسبتاً ثابت می ماند.

در مهندسی شیر کنترل مرسوم است که «محدودیت» هر دریچه را بر حسب میزان جریان عبوری با توجه به افت فشار معین و وزن مخصوص سیال (Gf ) بیان می کنند.

اشتباهات رایج مهندسان تازه‌کار در انتخاب سایز مناسب کنترل ولو

تکیه کامل بر سایز لوله به جای محاسبات Cv

نادیده گرفتن شرایط مینیمم دبی

عدم لحاظ تغییرات فصلی دما و چگالی

انتخاب متریال بر اساس هزینه اولیه به جای عمر کاری

تجربه: ولوهایی که صرفاً بر اساس قیمت انتخاب شدند، در کمتر از دو سال مستهلک شده و هزینه تعویضشان چند برابر قیمت اولیه شد.

نتیجه‌گیری

سایزینگ کنترل ولو فرآیندی مهم است که باید با دقت انجام شود. اندازه مناسب کنترل ولو برای یک کاربرد خاص، عملکرد صحیح سیستم را تضمین می کند.

شما می توانید برای مشاوره انتخاب بهترین سایز کنترل ولو با مهندسین ما در کیا صنعت تماس بگیرید.

برای تهیه انواع کنترل ولو مانند کنترل ولو سامسون مدل 3241، کنترل ولو فیشر، کنترل ولو ماسونیلان، کنترل ولو هانیول،کنترل ولو آری ارماتورن، کنترل ولو سه راهه سامسون،  شیر ترموستاتیک سامسون ، شیر فشار شکن سامسون ،شیرپنوماتیک بخار اصفهان، شیر پنوماتیک سامسون ، گلوب ولو سامسون مدل 3251 ، انواع آی توپی پوزیشنر،پوزیشنر سامسون ، پوزیشنر فیشر،  پوزیشنر YTC  و… با ما در تماس باشید.

لینک های مفید:

20 فاکتور مهم در عملکرد کنترل ولو

پکینگ کنترل ولو

بازرسی کنترل ولو

عوامل مهم در انتخاب کنترل ولو

9 دلیل استفاده از آی توپی پوزیشنر

اکچویتور خطی

شیر فشار شکن هیدرولیک چگونه کار می کند؟

سیستم افت فشار در یک شیر کنترل

انواع اتصالات انتهای کنترل ولو

صنایع نفت و گاز