制御弁

制御弁は、コントローラからの信号によって流路の大きさを変えることで流体の流れを制御するために使用される弁である。 ^{[1]これにより、}流量を直接制御し、結果として圧力、温度、液面 などのプロセス量を制御できます。

自動制御の用語では、制御バルブは「最終制御要素」と呼ばれます。

自動制御弁の開閉は、通常、電気、油圧、空気圧アクチュエータによって行われます。通常、全開から全閉までの任意の位置に設定できるモジュレーティングバルブでは、バルブが所望の開度に達するようにバルブポジショナーが使用されます。^[2]

空気作動バルブは圧縮空気の供給のみを必要とするためシンプルであるため、一般的に使用されています。一方、電動バルブには追加のケーブルとスイッチギアが必要であり、油圧作動バルブには油圧流体用の高圧供給ラインと戻りラインが必要です。

空気圧制御信号は、従来は 3～15 psi (0.2～1.0 bar) の圧力範囲に基づいていますが、現在では、産業用では4～20 mA 、 HVACシステム用では 0～10 V の電気信号が一般的になっています。現在、電気制御には 4～20 mA の制御電流に重ね合わせた「スマート」通信信号が含まれることが多く、これにより、バルブ位置の状態と検証をコントローラに信号で返すことができます。最も一般的なプロトコルは、 HART、Fieldbus Foundation、およびProfibusです。

自動制御バルブは 3 つの主要部分で構成され、各部分には複数のタイプと設計があります。

• バルブアクチュエータ – ボールやバタフライなどのバルブの調節要素を動かします。
• バルブポジショナー – バルブが所定の開度に達したことを確認します。これにより、摩擦と摩耗の問題が解消されます。
• バルブ本体 - プラグ、グローブ、ボール、またはバタフライなどの調節要素が収納されています。

空気作動バルブを例にとると、次の 2 つの制御アクションが可能です。

• 「空気または電流で開く」 – 制御信号値が増加すると、流量制限が減少します。
• 「空気または電流で閉じる」 – 制御信号値が増加すると、流量制限が増加します。

安全モードに障害が発生する可能性もあります:

• 「空気または制御信号の障害により閉じない」 – アクチュエータへの圧縮空気が供給されなくなると、バルブはスプリング圧力またはバックアップ電源によって閉じます。
• 「空気または制御信号の故障により開かない」 – アクチュエータへの圧縮空気の供給が停止すると、スプリング圧力またはバックアップ電源によってバルブが開きます。

故障モードの動作は、プラントの安全プロセス制御仕様の故障要件です。冷却水の場合はオープン故障になる可能性があり、化学物質の供給の場合はクローズ故障になる可能性があります。

ポジショナーの基本的な機能は、バルブ アクチュエータに加圧空気を送り、バルブ ステムまたはシャフトの位置が制御システムからの設定点に対応するようにすることです。ポジショナーは、通常、バルブにスロットル動作が必要な場合に使用されます。ポジショナーは、バルブ ステムまたはシャフトからの位置フィードバックを必要とし、アクチュエータに空気圧を供給してバルブを開閉します。ポジショナーは、制御バルブ アセンブリ上またはその近くに取り付ける必要があります。制御信号の種類、診断機能、通信プロトコルに応じて、ポジショナーには主に 3 つのカテゴリ (空気圧、アナログ、デジタル) があります。^[3]

処理ユニットは、制御バルブへの制御設定点として空気圧信号を使用する場合があります。圧力は通常、20.7 ～ 103 kPa (3 ～ 15 psig) の間で調整され、バルブを 0 ～ 100% の位置に移動します。一般的な空気圧ポジショナーでは、バルブ ステムまたはシャフトの位置が、空気圧制御信号を受信するベローズの位置と比較されます。入力信号が増加すると、ベローズが拡張してビームを動かします。ビームは入力軸を中心に回転し、フラッパーをノズルに近づけます。ノズル圧力が上昇し、空気圧増幅器リレーを介してアクチュエータへの出力圧力が増加します。アクチュエータへの出力圧力が上昇すると、バルブ ステムが動きます。

ステムの動きはカムによってビームにフィードバックされます。カムが回転すると、ビームはフィードバック軸を中心に回転し、フラッパーをノズルからわずかに離します。ノズル圧力が低下し、アクチュエータへの出力圧力が低下します。ステムの動きは継続し、フラッパーをノズルから遠ざけ、平衡に達するまで続けます。入力信号が減少すると、ベローズが収縮し (内部レンジ スプリングの助けを借りて)、ビームが入力軸を中心に回転し、フラッパーをノズルから遠ざけます。ノズルが減少し、リレーによってダイヤフラム ケーシング圧力が大気中に放出され、アクチュエータ ステムが上方に動きます。

カムを介してステムの動きがビームにフィードバックされ、フラッパーの位置がノズルに近づきます。平衡状態が得られると、ステムの動きが停止し、フラッパーの位置が調整され、アクチュエータ圧力のさらなる低下を防ぎます。^[3]

2 つ目のタイプのポジショナーは、アナログ I/P ポジショナーです。最新の処理ユニットのほとんどは、4 ～ 20 mA の DC 信号を使用して制御バルブを調整します。これにより、ポジショナーの設計に電子機器が導入され、ポジショナーは電子電流信号を空気圧信号 (電流から空気圧、または I/P) に変換する必要があります。一般的なアナログ I/P ポジショナーでは、コンバーターが DC 入力信号を受け取り、ノズル/フラッパー配置を介して比例空気圧出力信号を提供します。空気圧出力信号は、空気圧ポジショナーに入力信号を提供します。それ以外の点では、設計は空気圧ポジショナーと同じです^[3]

空気圧ポジショナーとアナログ I/P ポジショナーは基本的なバルブ位置制御を提供しますが、デジタル バルブ コントローラーはポジショナーの機能に別の次元を追加します。このタイプのポジショナーは、マイクロプロセッサ ベースの機器です。マイクロプロセッサにより、診断と双方向通信が可能になり、セットアップとトラブルシューティングが簡素化されます。

一般的なデジタル バルブ コントローラでは、制御信号はマイクロプロセッサによって読み取られ、デジタル アルゴリズムによって処理され、I/P コンバータへの駆動電流信号に変換されます。マイクロプロセッサは、機械的なビーム、カム、フラッパー アセンブリではなく、位置制御アルゴリズムを実行します。制御信号が増加すると、I/P コンバータへの駆動信号が増加し、I/P コンバータからの出力圧力が増加します。この圧力は空気圧増幅器リレーにルーティングされ、アクチュエータに 2 つの出力圧力を提供します。制御信号が増加すると、1 つの出力圧力は常に増加し、もう 1 つの出力圧力は減少します。

複動アクチュエータは両方の出力を使用しますが、単動アクチュエータは 1 つの出力のみを使用します。出力圧力の変化により、アクチュエータのステムまたはシャフトが動きます。バルブの位置はマイクロプロセッサにフィードバックされます。ステムは正しい位置に到達するまで動き続けます。この時点で、マイクロプロセッサは平衡状態が得られるまで I/P コンバータへの駆動信号を安定させます。

デジタルバルブコントローラは、バルブの位置を制御する機能に加えて、診断と双方向デジタル通信という2つの追加機能を備えています。^[3]

広く使用されている通信プロトコルには、HART、FOUNDATION フィールドバス、PROFIBUS などがあります。

制御弁にスマートポジショナーを設置する利点:

• ポジショナーの自動キャリブレーションと構成。
• リアルタイム診断。
• 設置や校正を含むループ試運転のコストが削減されます。
• ループのパフォーマンスレベルを維持するための診断の使用。
• プロセス制御の精度が向上し、プロセスの変動性が低減します。

制御バルブは、属性と機能によって分類されます。

• 高回復弁: これらの弁は、通常、入口から出口の縮流部までの静圧降下のほとんどを取り戻します。回復係数が低いのが特徴です。例: バタフライ弁、ボール弁、プラグ弁、ゲート弁
• 低回復バルブ: これらのバルブは、通常、入口から出口の縮流部までの静圧降下をほとんど回復しません。回復係数が高いのが特徴です。例: グローブ バルブ、アングル バルブ

• スライディングステム：バルブステム/プラグは直線的に動きます。例：グローブバルブ、^[4]アングルバルブ、ウェッジ型ゲートバルブ
• ロータリーバルブ：バルブディスクが回転します。例：バタフライバルブ、ボールバルブ

• 制御バルブ: 中央制御システムから受信した入力信号に比例して流量パラメータを制御します。例: グローブ バルブ、アングル バルブ、ボール バルブ
• 遮断弁/オンオフ弁: これらの弁は完全に開いているか閉じているかのどちらかです。例: ゲート弁、ボール弁、グローブ弁、アングル弁、ピンチ弁、ダイヤフラム弁
• チェックバルブ：一方向のみの流れを許可します
• 蒸気調整バルブ: 入口媒体の圧力と温度を出口で必要なパラメータに調整します。例: タービンバイパスバルブ、プロセス蒸気排出ステーション
• バネ式安全弁：バネの力で閉じ、入口圧力がバネの力と等しくなるとバネが引っ込んで開きます。

• 手動バルブ：ハンドホイールで作動
• 空気圧バルブ: 空気、炭化水素、窒素などの圧縮性媒体を使用して、スプリングダイヤフラム、ピストンシリンダー、またはピストンスプリングタイプのアクチュエータで作動します。
• 油圧バルブ：水や油などの非圧縮性媒体によって作動する
• 電動バルブ：電動モーターで作動

バルブの種類と制御操作にはさまざまな種類がありますが、主な動作形式はスライディング ステムとロータリーの 2 つです。

最も一般的で汎用性の高いコントロールバルブのタイプは、スライディングステムグローブ、Vノッチボール、バタフライ、アングルタイプです。これらのバルブが人気なのは、頑丈な構造と、さまざまなプロセスアプリケーションに適した多くのオプションが用意されていることです。^[5]コントロールバルブ本体は、以下のように分類できます。^[3]

• スライドステム
  • グローブバルブ – 流量制御装置
  • アングルボディバルブ
  • アングルシートピストンバルブ
  • 軸流バルブ
• ロータリー
  • バタフライバルブ – 流量制御装置
  • ボールバルブ – 流量制御装置
• 他の
  • ピンチバルブ – チューブを圧迫して閉じるバルブ
  • ダイヤフラムバルブ – 流量制御装置

• [1] コントロールバルブハンドブック
• [2] 流体制御研究所
• [3] バルブワールドマガジン
• [4] バルブ設計とエンジニアリングの新時代
• [5] 機械学習ベースのバルブ設計アプリケーション