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Les vannes papillon sont plus légères, plus petites et plus légères que les autres types de vannes de régulation, ce qui en fait le meilleur choix pour réguler le débit dans de nombreuses applications. Les vannes papillon standard sont traditionnellement utilisées pour les applications d'ouverture/fermeture automatique et elles sont bien adaptées à ce rôle. Cependant, lorsqu’il s’agit de réguler le débit dans un système en boucle fermée, certains ingénieurs les considèrent comme inacceptables.
La vanne papillon utilise un disque rotatif pour contrôler le débit dans le tuyau. Les disques peuvent généralement fonctionner à 90 degrés, c'est pourquoi ils sont parfois appelés vannes quart de tour. Habituellement, ils sont utilisés pour des raisons d’économie. Lorsqu'une fermeture étanche est requise, des vannes papillon avec des joints élastiques souples et/ou des disques revêtus peuvent être utilisées pour fournir les performances requises. La vanne papillon haute performance (HPBV) - ou vanne à double excentration - est désormais la norme industrielle pour les vannes papillon et est largement utilisée pour le contrôle de l'étranglement. Ils fonctionnent bien pour les applications avec une chute de pression relativement constante ou des boucles de processus lentes.
Les avantages du HPBV incluent un chemin d'écoulement direct, une capacité élevée et la capacité de faire passer facilement des fluides solides et visqueux. Leur coût d'installation est généralement le plus bas de tous les types de vannes, en particulier les vannes NPS 12 et plus grandes. Par rapport à d’autres types de vannes, leur avantage en termes de coût augmente considérablement lorsque la taille dépasse 12 pouces.
Ils peuvent fournir de bonnes performances de fermeture dans une large plage de températures et fournir différentes conceptions de corps de vanne, notamment du type à plaquette, du type à cosse et à double bride. Elles sont beaucoup plus légères que les autres types de vannes et sont plus compactes. Par exemple, une vanne à bille segmentée à double bride ANSI classe 150 de 12 pouces pèse 350 livres et a une dimension face à face de 13,31 pouces, tandis que la vanne papillon à cosse équivalente de 12 pouces ne pèse que 200 livres et une dimension face à face. dimension du visage de 3 pouces.
Les vannes papillon présentent certaines limitations qui les rendent inadaptées au contrôle du débit dans certaines applications. Ceux-ci incluent des capacités de chute de pression limitées par rapport aux vannes à bille, avec un plus grand potentiel de cavitation ou d'éclair.
Étant donné que la grande surface du disque agit comme un levier pour appliquer la force dynamique du fluide en circulation sur l'arbre d'entraînement, les vannes papillon standard ne sont généralement pas utilisées pour les applications haute pression. Si tel est le cas, la taille et la sélection de l’actionneur deviennent critiques.
Il arrive parfois que la vanne papillon soit surdimensionnée, ce qui aura un impact négatif sur les performances du processus. Cela peut être dû à l'utilisation de vannes de la taille d'un pipeline, en particulier de vannes papillon de grande capacité. Cela peut augmenter la variabilité des processus de deux manières. Tout d'abord, un surdimensionnement apporte trop de gain à la vanne, et manque donc de flexibilité dans le réglage du contrôleur. Deuxièmement, les vannes surdimensionnées peuvent fonctionner plus fréquemment aux ouvertures inférieures des vannes, tandis que le frottement d'étanchéité des vannes papillon peut être plus important. Parce que pour un incrément de course de vanne donné, une vanne trop grande produira des changements de débit disproportionnés. Ce phénomène exagérera considérablement la variabilité du processus associée à la zone morte due au frottement.
Les codeurs utilisent parfois des vannes papillon pour des raisons économiques ou pour s'adapter à une taille de pipeline donnée, quelles que soient leurs limites. Il existe une tendance à surdimensionner la vanne papillon pour éviter de serrer le tuyau, ce qui peut conduire à un mauvais contrôle du processus.
La plus grande limitation est que la plage de contrôle d'étranglement idéale n'est pas aussi large qu'une vanne d'arrêt ou une vanne à boisseau sphérique segmentée. Les vannes papillon ne fonctionnent généralement pas bien en dehors de la plage de contrôle d'ouverture d'environ 30 % à 50 %.
Généralement, lorsque la boucle de contrôle fonctionne de manière linéaire et que le gain du procédé est proche de 1, la boucle est la plus facile à contrôler. Par conséquent, un gain de processus de 1,0 devient l'objectif d'un bon contrôle de boucle, et la plage acceptable est de 0,5 à 2,0 (plage 4:1).
Les performances sont meilleures lorsque la majeure partie du gain de boucle provient du contrôleur. Notez que dans la courbe de gain de la figure 1, le gain du processus devient assez élevé dans la région inférieure à environ 25 % de la course de la vanne.
Le gain de processus définit la relation entre la sortie du processus et les modifications d'entrée. La course où le gain du processus est maintenu entre 0,5 et 2,0 constitue la plage de contrôle optimale de la vanne. Lorsque le gain du processus n'est pas compris entre 0,5 et 2,0, de mauvaises performances dynamiques et une instabilité de boucle peuvent survenir.
Lorsque la vanne est fermée pour s'ouvrir, la conception du disque de la vanne papillon a un impact significatif sur le débit de la vanne. Le disque avec des caractéristiques inhérentes à pourcentage égal peut mieux compenser la chute de pression qui change avec le débit. Les composants internes à pourcentage égal fourniront des caractéristiques d'installation linéaires pour modifier la chute de pression, ce qui est idéal. Le résultat est un changement un à un plus précis entre le débit et la course de la vanne.
Récemment, les vannes papillon peuvent utiliser des disques avec des caractéristiques inhérentes de débit à pourcentage égal. Cela fournit une fonctionnalité d'installation qui se traduit par un gain du processus d'installation dans la plage requise de 0,5 à 2,0 sur une plage de déplacement plus large. Cela améliorera considérablement le contrôle de l’accélération, en particulier dans la plage de course inférieure.
Cette conception offre un bon contrôle, avec un gain acceptable de 0,5 à 2,0 d'environ 11 % d'ouverture à 70 %, et la plage de contrôle est près de trois fois supérieure à celle d'une vanne papillon haute performance (HPBV) typique de la même taille. Par conséquent, des disques à pourcentage égal offrent une variabilité globale du processus inférieure.
Les vannes papillon avec des caractéristiques inhérentes à pourcentage égal, telles que les vannes à disque de commande, sont idéales pour les processus qui nécessitent des performances de contrôle d'étranglement précises. Quelles que soient les perturbations du processus, elles peuvent être contrôlées plus près du point de consigne cible, réduisant ainsi la variabilité du processus.
Si la vanne papillon ne fonctionne pas bien, remplacez simplement la vanne par la bonne taille pour résoudre le problème. Par exemple, une entreprise papetière utilise deux vannes papillon surdimensionnées pour contrôler l’élimination de l’humidité de la pâte. Les deux vannes fonctionnent à moins de 20 % de la course, ce qui entraîne une variation du processus de 3,5 % et 8,0 %, respectivement. La majeure partie de leur durée de vie se déroule en mode manuel.
Deux vannes papillon Fisher Control-Disk NPS 4 de taille appropriée avec contrôleurs de vanne numériques ont été installées. La boucle fonctionne désormais en mode automatique, la variabilité du processus de la première vanne est passée de 3,5 % à 1,6 % et la variabilité du processus de la deuxième vanne est passée de 8 % à 3,0 %, sans aucun réglage particulier de la boucle.
La mauvaise pression de l’eau et le mauvais contrôle du débit du système de refroidissement de l’aciérie ont entraîné des incohérences dans le produit final. Le HPBV installé à Jiutai n'a pas pu contrôler efficacement le débit d'eau comme requis.
L'usine espère installer des vannes capables de mieux contrôler le processus et doit minimiser les coûts d'installation. L'usine dépensera 10 000 $ pour remplacer les tuyaux de chaque vanne afin de passer des vannes HPBV aux vannes à bille segmentée. Au lieu de cela, Emerson recommande que sa vanne papillon Control-Disk s'adapte à la taille face-à-face actuelle du HPBV.
Une vanne Control-Disk a été testée avec l'un des neuf HPBV existants, et ses performances répondaient aux exigences spécifiées. L'usine a remplacé les 8 HPBV restants en un an, et chaque HPBV était équipé d'une vanne Control-Disk. Cela a éliminé le besoin de remplacer des pipelines de 90 000 $ par des vannes à bille segmentées, et le coût des vannes à bille a augmenté d'environ 25 % par rapport aux vannes papillon.
Les vannes Control-Disk offrent un contrôle précis et aident à éliminer la variabilité du produit final. L'aciérie estime que l'installation de neuf vannes Control-Disk pourrait permettre d'économiser environ 1 million de dollars par an.
Par rapport à la plupart des autres types de vannes, la HPBV avec positionneur numérique présente un coût d'installation initial inférieur et peut fournir une plage de contrôle adéquate lorsque la taille est correcte. Ils ont une capacité élevée et des restrictions de débit minimales. La vanne papillon avec un pourcentage égal inhérent de pièces internes offre la possibilité d'élargir la plage de contrôle, similaire à une vanne à soupape ou à bille, et n'occupe que l'espace du HPBV.
Lors de la sélection des vannes, notamment HPBV, assurez-vous qu'elles sont de la bonne taille, sinon elles pourraient être contrôlées manuellement par la salle de contrôle. Il est également important de prendre en compte le type de vanne, ses caractéristiques inhérentes et sa taille qui offrent la plage de contrôle la plus large pour l'application.
Mark Nymeyer est responsable mondial des communications marketing pour le contrôle des flux chez Emerson Automation Solutions.
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Heure de publication : 11 octobre 2021
