Actionneurs et positionneurs de vannes de régulation

Les vannes de régulation ont besoin d’actionneurs pour fonctionner. Ce tutoriel discute brièvement des différences entre les actionneurs électriques et pneumatiques, de la relation entre la terminologie à action directe et à action inversée, et comment cela affecte l’influence de régulation d’une vanne. L’importance des positionneurs est discutée en termes de ce qu’ils font et pourquoi ils sont nécessaires pour de nombreuses applications.

Actionneurs Dans le Bloc 5, « Théorie de la régulation », une analogie a été utilisée pour décrire un procédé de régulation simple :

• Le muscle du bras et la main (l’actionneur) tournaient la vanne - (l’organe de commande).

Une forme de dispositif de commande, la vanne de régulation, a maintenant été couverte. L’actionneur est le domaine d’intérêt logique suivant.

Le fonctionnement d’une vanne de régulation implique le positionnement de sa partie mobile (le clapet, la bille ou le volet) par rapport au siège fixe de la vanne. Le but de l’actionneur de vanne est de positionner avec précision le clapet de la vanne à une position dictée par le signal de commande.

L’actionneur accepte un signal du système de régulation et, en réponse, déplace la vanne à une position entièrement ouverte ou entièrement fermée, ou une position plus ouverte ou plus fermée (selon que l’action de commande est « tout ou rien » ou « continue »).

Il existe plusieurs façons de fournir cette action. Ce Module se concentrera sur les deux principales :

• Pneumatique.
• Électrique. Les autres actionneurs importants incluent les types hydrauliques et à action directe. Ceux-ci sont discutés dans le Bloc 7, « Équipement de régulation : Régulations auto-actionnées ».

Actionneurs pneumatiques – fonctionnement et options Les actionneurs pneumatiques sont couramment utilisés pour actionner les vannes de régulation et sont disponibles sous deux formes principales ; les actionneurs à piston (Figure 6.6.1) et les actionneurs à membrane (Figure 6.6.2)

Actionneurs à piston Les actionneurs à piston sont généralement utilisés lorsque la course d’un actionneur à membrane serait trop courte ou la poussée trop faible. L’air comprimé est appliqué à un piston solide contenu dans un cylindre solide. Les actionneurs à piston peuvent être à simple effet ou à double effet, peuvent supporter des pressions d’entrée plus élevées et peuvent offrir des volumes de cylindre plus petits, qui peuvent agir à grande vitesse. Actionneurs à membrane Les actionneurs à membrane ont l’air comprimé appliqué à une membrane flexible appelée membrane. La Figure 6.6.2 montre une membrane roulante où la surface effective de la membrane est pratiquement constante sur toute la course de l’actionneur. Ces types d’actionneurs sont à simple effet, en ce sens que l’air n’est fourni que d’un seul côté de la membrane, et ils peuvent être soit à action directe (ressort de rétraction) soit à action inversée (ressort d’extension). Action inversée (ressort d’extension) La force opérationnelle est dérivée de la pression d’air comprimé, qui est appliquée à une membrane flexible. L’actionneur est conçu pour que la force résultant de la pression d’air, multipliée par la surface de la membrane, surmonte la force exercée (dans la direction opposée) par le(s) ressort(s).

La membrane (Figure 6.6.2) est poussée vers le haut, tirant la tige vers le haut, et si la tige est connectée à une vanne à action directe, le clapet est ouvert. L’actionneur est conçu pour qu’avec un changement spécifique de pression d’air, la tige se déplace suffisamment pour déplacer la vanne sur toute sa course de entièrement fermée à entièrement ouverte.

À mesure que la pression d’air diminue, le(s) ressort(s) déplace(nt) la tige dans la direction opposée. La plage de pression d’air est égale au calibre du ressort de l’actionneur indiqué, par exemple 0,2 - 1 bar.

Avec une plus grande vanne et/ou une pression différentielle plus élevée contre laquelle travailler, plus de force est nécessaire pour obtenir un mouvement complet de la vanne.

Pour créer plus de force, une surface de membrane plus grande ou une plage de ressort plus élevée est nécessaire. C’est pourquoi les fabricants de régulations offrent une gamme d’actionneurs pneumatiques pour correspondre à une gamme de vannes - comprenant des surfaces de membrane croissantes, et un choix de plages de ressort pour créer différentes forces.

Les schémas de la Figure 6.6.3 montrent les composants d’un actionneur pneumatique de base et la direction du mouvement de la tige avec l’augmentation de la pression d’air. Actionneur à action directe (ressort de rétraction) L’actionneur à action directe est conçu avec le ressort sous la membrane, l’air étant fourni à l’espace au-dessus de la membrane. Le résultat, avec l’augmentation de la pression d’air, est un mouvement de la tige dans la direction opposée à l’actionneur à action inversée.

L’effet de ce mouvement sur l’ouverture de la dépend de la conception et du type de vanne utilisée, et est illustré dans la Figure 6.6.3.

Il y a cependant une alternative, qui est montrée dans la Figure 6.6.4. Un actionneur pneumatique à action directe est couplé à une vanne de régulation avec un clapet à action inversée (parfois appelé « clapet suspendu »). Le choix entre les régulations pneumatiques à action directe et à action inversée dépend de la position à laquelle la vanne doit revenir en cas de défaillance de l’alimentation en air comprimé. La vanne doit-elle se fermer ou être grande ouverte ? Ce choix dépend de la nature de l’application et des exigences de sécurité. Il est logique que les vannes vapeur se ferment en cas de coupure d’air, et que les vannes de refroidissement s’ouvrent en cas de coupure d’air. La combinaison du type d’actionneur et de vanne doit être considérée. La Figure 6.6.5 et la Figure 6.6.6 montrent l’effet net des différentes combinaisons. Effet de la pression différentielle sur le soulèvement de la vanne L’air alimenté dans la chambre de membrane est le signal de commande du contrôleur pneumatique. La pression d’air de signal la plus largement utilisée est de 0,2 bar à 1 bar. Considérons un actionneur à action inversée (ressort d’extension) avec un(s) ressort(s) standard de 0,2 à 1,0 bar, monté sur une vanne à action directe (Figure 6.6.7). Lorsque l’ensemble vanne et actionneur est étalonné (ou « réglé sur établi »), il est ajusté de sorte qu’une pression d’air de 0,2 bar commence juste à surmonter la résistance des ressorts et à éloigner le clapet de la vanne de son siège.

À mesure que la pression d’air augmente, le clapet de la vanne s’éloigne progressivement de son siège, jusqu’à ce que finalement à 1 bar de pression d’air, la vanne soit ouverte à 100 %. C’est montré graphiquement dans la Figure 6.6.7.

Considérons maintenant cet ensemble installé dans une canalisation dans une application de réduction de pression, avec 10 bar g du côté amont et régulant la pression d’aval à 4 bar g.

La pression différentielle aux bornes de la vanne est de 10 - 4 = 6 bar. Cette pression agit sur la face inférieure du clapet de la vanne, fournissant une force tendant à ouvrir la vanne. Cette force s’ajoute à la force fournie par la pression d’air dans l’actionneur.

Par conséquent, si l’actionneur est alimenté en air à 0,6 bar (à mi-chemin entre 0,2 et 1 bar), par exemple, au lieu que la vanne prenne la position attendue d’ouverture à 50 %, l’ouverture réelle sera plus grande, à cause de la force supplémentaire fournie par la pression différentielle.

De plus, cette force supplémentaire signifie que la vanne n’est pas fermée à 0,2 bar. Pour fermer la vanne dans cet exemple, le signal de commande doit être réduit à environ 0,1 bar.

La situation est légèrement différente avec une vanne vapeur régulant la température dans un échangeur de chaleur, car la pression différentielle aux bornes de la vanne variera entre :

• Un minimum, lorsque le procédé demande un maximum de chaleur, et la vanne de régulation est ouverte à 100 %.
• Un maximum, lorsque le procédé est à température et la vanne de régulation est fermée. La pression de vapeur dans l’échangeur de chaleur augmente à mesure que la charge thermique augmente. Cela peut être vu dans le Module 6.5, Exemple 6.5.3 et Tableau 6.5.7.

Si la pression en amont de la vanne de régulation reste constante, alors, à mesure que la pression de vapeur augmente dans l’échangeur de chaleur, la pression différentielle aux bornes de la vanne doit diminuer.

La Figure 6.6.8 montre la situation avec l’air appliqué à un actionneur à action directe. Dans ce cas, la force sur le clapet de la vanne créée par la pression différentielle travaille contre la pression d’air. L’effet est que si l’actionneur est alimenté en air à 0,6 bar, par exemple, au lieu que la vanne prenne la position attendue d’ouverture à 50 %, le pourcentage d’ouverture sera plus grand à cause de la force supplémentaire fournie par la pression différentielle. Dans ce cas, le signal de commande doit être augmenté à environ 1,1 bar pour fermer complètement la vanne. Il peut être possible de réétalonner la vanne et l’actionneur pour tenir compte des forces créées par la pression différentielle, ou peut-être en utilisant différentes combinaisons de ressorts, de pression d’air et d’actionneur. Cette approche peut fournir une solution économique sur les petites vannes, avec de faibles pressions différentielles et où un contrôle précis n’est pas requis. Cependant, les réalités pratiques sont que :

• Les plus grandes vannes ont des surfaces plus grandes sur lesquelles la pression différentielle peut agir, augmentant ainsi les forces générées, et ayant un effet croissant sur la position de la vanne.
• Des pressions différentielles plus élevées signifient que des forces plus élevées sont générées.
• Les vannes et actionneurs créent de la friction, provoquant une hystérésis. Les petites vannes sont susceptibles d’avoir une friction plus grande par rapport aux forces totales impliquées. La solution est de monter un positionneur sur l’ensemble vanne/actionneur. (Plus d’informations sont données sur les positionneurs plus loin dans ce Module).

Note : Pour simplifier, les exemples ci-dessus supposent qu’aucun positionneur n’est utilisé, et que l’hystérésis est nulle.

Les formules utilisées pour déterminer la poussée disponible pour maintenir une vanne sur son siège pour diverses combinaisons de vannes et d’actionneurs sont montrées dans la Figure 6.6.9.

Où :

A = Surface effective de la membrane

Pmax = Pression maximale à l’actionneur (normalement 1,2 bar)

Smax = Réglage maximum sur établi du ressort

Pmin = Pression minimale à l’actionneur (normalement 0 bar)

Smin = Réglage minimum sur établi du ressort

La poussée disponible pour fermer la vanne doit assurer trois fonctions :

1. Surmonter la pression différentielle du fluide à la position fermée.
2. Surmonter la friction dans la vanne et l’actionneur, principalement au niveau des joints d’étanchéité de la vanne et de la tige de l’actionneur.
3. Fournir une charge d’étanchéité entre le clapet et le siège de la vanne pour assurer le degré requis d’étanchéité. Les fabricants de vannes de régulation fournissent normalement tous les détails des pressions différentielles maximales contre lesquelles leurs diverses combinaisons de vannes et d’actionneurs/ressorts fonctionneront ; le Tableau dans la Figure 6.6.10 est un exemple de ces données.

Note : Lors de l’utilisation d’un positionneur, il est nécessaire de se référer à la documentation du fabricant pour les pressions d’air minimales et maximales.

Positionneurs Pour de nombreuses applications, la pression de 0,2 à 1 bar dans la chambre de membrane peut ne pas être suffisante pour faire face à la friction et aux pressions différentielles élevées. Une pression de commande plus élevée et des ressorts plus forts pourraient être utilisés, mais la solution pratique est d’utiliser un positionneur.

C’est un élément supplémentaire (voir Figure 6.6.11), qui est généralement monté sur le support ou les piliers de l’actionneur, et il est lié à la tige de l’actionneur par un bras de rétroaction afin de surveiller la position de la vanne. Il nécessite sa propre alimentation en air à pression plus élevée, qu’il utilise pour positionner la vanne. Un positionneur de vanne met en relation le signal d’entrée et la position de la vanne, et fournira toute pression de sortie à l’actionneur pour satisfaire cette relation, selon les exigences de la vanne, et dans les limites de la pression d’alimentation maximale. Lorsqu’un positionneur est monté sur un ensemble vanne et actionneur « air pour ouvrir », la plage de ressort peut être augmentée pour augmenter la force de fermeture, et ainsi augmenter la pression différentielle maximale qu’une vanne particulière peut supporter. La pression d’air sera également ajustée si nécessaire pour surmonter la friction, réduisant ainsi les effets d’hystérésis. Exemple : En prenant un actionneur de série PN5400 monté sur une vanne DN50 (voir Tableau dans la Figure 6.6.10)

Actionneurs électriques ****Lorsqu’une alimentation pneumatique n’est pas disponible ou souhaitable, il est possible d’utiliser un actionneur électrique pour commander la vanne. Les actionneurs électriques utilisent un moteur électrique avec des exigences de tension dans la plage suivante : 230 Vca, 110 Vca, 24 Vca et 24 Vcc. Il existe deux types d’actionneurs électriques ; VMD (Valve Motor Drive / entraînement moteur de vanne) et modulant.

VMD (Valve Motor Drive) Cette version de base de l’actionneur électrique a trois états :

1. Commande d’ouverture de la vanne.
2. Commande de fermeture de la vanne.
3. Aucun mouvement. La Figure 6.6.20 montre le système VMD où la course avant et arrière de l’actionneur est commandée directement depuis n’importe quel commutateur externe à 3 positions ou deux commutateurs à 2 positions. Les commutateurs sont calibrés à la tension de l’actionneur et peuvent être remplacés par des relais appropriés.

Des dispositifs de limitation sont installés dans les actionneurs VMD pour protéger les moteurs contre les dommages de surcourse. Ces dispositifs sont basés soit sur le couple moteur maximum, soit sur des commutateurs de position physique. Les deux dispositifs arrêtent l’entraînement du moteur en interrompant son alimentation.

• Les commutateurs de position ont l’avantage de pouvoir être ajustés pour limiter les courses des vannes surdimensionnées.
• Les commutateurs de couple ont l’avantage de donner une force de fermeture définie sur le siège de la vanne, protégeant l’actionneur en cas de grippage de la tige de la vanne.
• Si seuls des commutateurs de position sont utilisés, ils peuvent être combinés avec un accouplement à ressort pour assurer une fermeture étanche de la vanne. Un actionneur VMD peut être utilisé pour une action tout ou rien ou pour une commande modulante. Le contrôleur positionne la vanne en commandant l’ouverture ou la fermeture de la vanne pendant un certain temps, pour s’assurer qu’elle atteint la position souhaitée. La rétroaction de position de vanne peut être utilisée avec certains contrôleurs. Modulant Pour positionner la vanne de régulation en réponse aux exigences du système, un actionneur modulant peut être utilisé. Ces unités peuvent avoir des moteurs de calibre plus élevé (typiquement 1 200 démarrages/heure) et peuvent avoir une électronique intégrée.

Un circuit de positionnement peut être inclus dans l’actionneur modulant, qui accepte un signal de commande analogique (typiquement 0-10 V ou 4-20 mA). L’actionneur interprète alors ce signal de commande, comme la position de la vanne entre les commutateurs de fin de course.

Pour y parvenir, l’actionneur a un capteur de position (généralement un potentiomètre), qui renvoie la position réelle de la vanne au circuit de positionnement. De cette façon, l’actionneur peut être positionné le long de sa course proportionnellement au signal de commande. Un schéma de l’actionneur modulant est montré dans la Figure 6.6.21. Les actionneurs pneumatiques ont une caractéristique de sécurité intégrée ; en cas de défaillance de l’alimentation d’air ou du signal de commande, la vanne se fermera. Pour fournir cette fonction dans les actionneurs électriques, des versions à « réserve de ressort » sont disponibles qui ouvriront ou fermeront la vanne en cas de panne d’alimentation ou de signal de commande. Alternativement, la sécurité peut être assurée avec une alimentation par batterie.

Les actionneurs électriques offrent des forces spécifiées, qui peuvent être limitées sur les versions à réserve de ressort. Les abaques du fabricant doivent toujours être consultées lors de la sélection.

Lors du dimensionnement d’un actionneur, il est conseillé de se référer aux fiches techniques du fabricant pour la pression différentielle maximale aux bornes de la vanne (voir Figure 6.6.22).

Une autre limitation d’un actionneur électrique est la vitesse de mouvement de la vanne, qui peut être aussi faible que 4 secondes/mm, ce qui dans les systèmes à variations rapides peut être trop lent.