אופן שילובו של שסתום הבקרה באפליקציית הבקרה והתהליך

הגישה המסורתית לחישוב גודלו של שסתום הבקרה מסתמכת על מספר רב של משתנים עליהם ניתן את הדעת במאמר זה. את שסתום הבקרה ניתן לחלק ל 3 רכיבים עיקריים: גוף השסתום ,מפעיל פנאומטי,וממקם Positioner

גוף השסתום ומכלול האטימה ( (Valve Trim מוגדרים כגורם הישיר לוויסות ולשם שליטה על מעבר הזורם דרך חתך התושבת .


Globe 21000 Masoneilan

המפעיל הפנאומטי יזוהה כממיר אות הבקרה Output Signal המגיע מהבקר לכוח הדרוש לסגירת השסתום או לצורך קירובהרחקה של הסגר הצורתי Plug Valve.

הגדרתו המדויקת של שסתום הבקרה תהיה: המרה של אות הבקרה הנשלח מן הבקר Controller לכוח הפעלה לשם שליטה או בקרה לאורך זמן בצורה קבועה וללא שינוי. ובנוסף משמש כאביזר אוגר ומשחרר אנרגיה בהתאם לדרישה לפי עיקרון של שינויי הפרש לחצים.

בתכנון מערכת הבקרה על זורמים,בחירה נכונה של השסתום תהיה לעיתים הבעיה הקשה והמורכבת ביותר. בחירה לא נכונה של השסתום תגרום לבקרה ולשליטה גרועים על הנוזל וכן לבלאי מואץ של חלקי המכלול “הרטובים” דוגמת סגר ותושבת המוגדרים כ Trim . (הגבר K גבוה)

שסתום גדול מדי לספיקה יעביר את מלוא הספיקה במהלך קטן יחסית ובכך יקטין בהרבה את תחום הויסות של השסתום.התוצאה תהיה שחיקה גבוהה ובלאי מואץ של הסגר אל מול התושבת וכן תנודתיות תהליך הויסות. לעומת זאת שסתום קטן מדי לספיקה יצריך פתיחה מלאה של השסתום ,פתיחה שתגרום להפרש לחצים נמוך יותר ואפשרות אובדן יכולת הבקרה.

תפקידו של הממקם Positioner))

בתהליכים המחייבים הקטנה של זמני הפיגור וההשהיה (תגובה דינאמית מהירה) והגברת כוחות כנגד החיכוך הקיים באטם הציר,ישולב מעגל הבקרה עם ממקם השסתום,שאותו ניתן להגדיר גם כחוליה המכאנית המקשרת בין תנועתו היחסית של Plug שסתום הבקרה לבין מעגל הבקרה.נקודת .הקישור בין ציר השסתום והממקם מוגדרת כמשדר התזוזה היחסית המאפשרת את העברת משוב מיקומו של ה Plug לצורך תיקון מהלך השסתום יחסית לתהליך.הממקם האמור דורש מקור אספקת אוויר חיצוני אשר יסייע למפעיל הפנאומטי להתאים את הכוח הדרוש לשליטה על התהליך.

שוק שסתומי בקרה בישראל- רשימה חלקית

שסתומי הבקרה מהווים חלק בלתי נפרד מהתעשייה . נוכל לזהותם בתעשיות העיקריות:

  • תעשייה כימית ופטרוכימית
  • אנרגיה חברת חשמל
  • תעשיית נייר
  • מתקני התפלת מים
  • הולכה והפחתת לחצים –מערכות גז טבעי
  • מזון מחלבות מפעלי משקאות קלים
  • מים וחקלאות – מתקני טיהור וניטור נתרן וכלורידים
  • שפכים ומכוני טיהור- טיהור שפכים תעשייתי וניטור מלחים

לצורך בחירת שסתום הבקרה יש לאפיין את הנתונים כמובא מטה :

א.קביעת נתוני התהליך:

  • מהו הזורם ( נוזל ,גז, דו פאזי ?)
  • לחצי הכניסה והיציאה ( הפרש לחצים)
  • טמפרטורה.
  • ספיקה מבוקשת – יחידות מדידה
  • משקל סגולי – צפיפות MW, molecular weight
  • קוטר צנרת כניסה ויציאה
  • צמיגות
  • לחץ קריטי ,לחץ האדים
  • בחישוב לגזים יש להקליד בנוסף את הנתונים:
    • Z, compressibility factor
    • K, Ratio of specific heats

 

ב.קביעת נתונים לבחירה סופית של השסתום:

  • ערך ה Cv המחושב (מקדם השסתום).
  • אופיין מבוקש Equal Percentage , Linear ואחרים אחוזי מהלך פתיחת השסתום.
  • מפלס גובה הרעש dBA
  • מהירות הזורם ביציאה מהשסתום ( יחידות f/s or m/s בעבור נוזל וביחידות Mach למדיום גז)
  • חשיבות רבה יש להקדיש לסעיף זה האחראי באופן ישיר לריסון ערך הרעש והקטנת השחיקה.
  • מיקום ואוריינטציה של השסתום יחסית לצנרת.
  • אופי הזורם ביציאה מהשסתום (עמידות ה Trim מול תופעות ,Flashing, חישוב ה Sigma עבור נתוני Cavitation ועוד)
  • התאמת סוגי השסתומים בהתאם לתנאי התהליך. בהתאם לתוכנת Valspeq Dresser Masoneilan
  • הגרסה האחרונה ניתנת להורדה ללא תמורה לפי הקישור ; Http://www.masoneilan.com

אפיון אכויות שסתום הבקרה ותאימותו לנתוני התהליך Valve Performence

כל שסתום בקרה יותאם באופן פרטני לצורך עמידותו של מכלול האטימה והוויסות ( Valve Trim )בתנאים כדוגמת: שחיקה ,טמפרטורה,קורוזיה,הבזקה ( Flashing ) ובתנאי קוויטציה בנוסף יש להתייחס לדרישות דרגות האטימה לפי סטנדרט FCI 70-2. דרגת האטימה הסטנדרטית במרבית דרישות נתוני התהליך מוגדרת כ Class IV או 0.01% Of rated Cv במקרים מיוחדים ניתן לקבל את השסתום גם בדרגות אטימה Class V ומעלה עד ל . Bubble Tigh Shut Off

 

פרמטרים הדרושים לשילוב השסתום במערכת הבקרה Control Valve Controllability

קיימים מספר פרמטרים שרמת דיוקם תשפיע באופן ישיר על איכות הבקרה והם: Capacity,Variability,Dead Band, Stroking Time, Valve response time ,Rangeability,Resulution,Gain,Chracteristic (הערת שמואל לסמן- מושגים מקצועיים שאין אפשרות לתרגם לעברית מבקש להשאירם כמות שהם למעט המושגים המורחבים מטה )

הפרמטרים העיקריים שיסייעו לנו לבחירת שסתום הבקרה

ספיקה ,אופייני הזרימה , עמידות בתנאי קוויטציה

  • ספיקה – הגדרת ערכי ה Cv – הספיקה המועברת דרך חתך השסתום במפל לחץ של 1 Psi כאשר השסתום בפתיחה מקסימלית
  • אופיין הזרימה מייצג את היחסיות שבין מצב ה Plug לבין תנאי הזרימה בנקודה מסוימת ובמפל לחץ קבוע אופיין הזרימה הטבעי תלוי בצורתו הגיאומטרית של ה Plug ומיקומו ביחס לתושבת ולשליטתו המושלמת על הספיקה.
    קיימים מספר רב של אופייניים כאשר הנפוצים ביותר : 

    • Linear and Equal Percentage
    • התרשים המובא מטה מדגים את המגוון הרב העומד לרשות המתכנן.

עמידות בתנאי הקויטציה?

את הקויטציה נגדיר כמעבר של חלק מהזורם המוגדר כפאזה נוזלית אל פאזת האדים תוך האצת המהירות דרך חתך תושבת השסתום. ( vena contracta) רתיחת הנוזל תגרום להופעת בועות אדים אשר יקרסו במורד הזרם בעת חזרתם לפאזה הנוזלית תוך הפעלת לחץ נקודתי גבוה שיגרום לבלאי גבוה, מטרדי רעש ורעידות במכלול האטימה.

כמובא בתרשימים מטה

Sigma- Cavitation Index

לצורך אפיון וחישוב דרגות הקוויטציה ולהתאמת מכלולי השסתום פותח ערך ה Cavitation Index Sigma- באמצעות הנוסחה:

σ = (Po – Pv) / (Pi – Po)

כאשר PO מגדיר את לחץ היציאה, Pi מגדיר את לחץ הכניסה , Pv מגדיר את לחץ האדים.

כמו כן נקבעו 5 דרגות עומק הקוויטציה כמובא מטה.

σ mr- Manufacturers Recommended Sigma (Sigma Valve)

σ V -Valve Sigma: (Sigma Valve and Piping)

σ Service :(Sigma Service)

σ i Incipient Cavitation

σ C Constant Cavitation

σ MV Maximum Vibration Cavitation

סיכום

כל שסתום בקרה יותאם באופן פרטני לצורך עמידותו של מכלול האטימה והוויסות ( Valve Trim )בתנאים כדוגמת: שחיקה ,טמפרטורה,קורוזיה,הבזקה ( Flashing ) ובתנאי קוויטציה בנוסף יש להתייחס לדרישות דרגות האטימה לפי סטנדרט FCI 70-2

קביעת גודלו של שסתום הבקרה והתאמתו לתהליכי הבקרה הדרושים תשפר מאוד את טיב הוויסות , תחסוך בעלותו הראשונית ותמנע בלאי מואץ של מכלול השסתום ( Trim) ושאר החלקים הרטובים.

קביעת נתוני התהליך וקביעת נתונים לבחירה סופית של שסתום הבקרה הינה אבן דרך חשובה לאין שיעור בהתאמתו

ואופן שילובו של שסתום הבקרה באפליקציית הבקרה והתהליך.

 

הכותב הינו מנהל תחום שסתומי הבקרה בחברת קונטאל אוטומציה ובקרה בע”מ