Van điều khiển

Hướng dẫn này mô tả ngắn gọn các thành phần cơ bản của các loại van điều khiển tác động tuyến tính và quay khác nhau có sẵn để sử dụng trong hệ thống hơi và nước.

Mô-đun 6 của Vòng lặp Hơi và Ngưng tụ xem xét các khía cạnh thực tế của điều khiển, đưa lý thuyết điều khiển cơ bản được thảo luận trong Mô-đun 5 vào thực hành.

Hệ thống điều khiển cơ bản thường bao gồm các thành phần sau:

• Van điều khiển.
• Bộ truyền động.
• Bộ điều khiển.
• Cảm biến. Tất cả các thuật ngữ này là chung chung và mỗi loại có thể bao gồm nhiều biến thể và đặc tính. Với sự tiến bộ của công nghệ, ranh giới giữa các thiết bị riêng lẻ và định nghĩa của chúng ngày càng không rõ ràng. Ví dụ, bộ định vị, truyền thống điều chỉnh van đến vị trí cụ thể trong phạm vi hành trình, bây giờ có thể:
• Nhận đầu vào trực tiếp từ cảm biến và cung cấp chức năng điều khiển.
• Giao diện với máy tính để thay đổi chức năng điều khiển, và thực hiện quy trình chẩn đoán.
• Sửa đổi chuyển động van để thay đổi đặc tính van điều khiển.
• Giao diện với hệ thống truyền thông kỹ thuật số nhà máy. Tuy nhiên, để rõ ràng tại thời điểm này, mỗi thiết bị sẽ được xem xét riêng biệt.

Van điều khiển

Trong khi nhiều loại van tồn tại, tài liệu này sẽ tập trung vào những loại được sử dụng rộng rãi nhất trong điều khiển tự động hơi và các chất lỏng công nghiệp khác. Chúng bao gồm:

• Các loại van có chuyển động trục tuyến tính và quay.
• Loại tuyến tính bao gồm van cầu và van trượt.
• Loại quay bao gồm van bi, van bướm, van nút và các biến thể. Lựa chọn đầu tiên cần thực hiện là giữa van hai cổng và ba cổng.
• Van hai cổng ‘nghẹt’ (hạn chế) chất lỏng đi qua chúng.
• Van ba cổng có thể được sử dụng để ‘trộn’ hoặc ‘chuyển hướng’ chất lỏng đi qua chúng.

Van hai cổng

Van cầu Van cầu thường được sử dụng cho ứng dụng điều khiển vì sự phù hợp cho dòng chảy nghẹt và dễ dàng có thể có ‘đặc tính’ cụ thể, liên kết độ mở van với lưu lượng. Hai loại van cầu điển hình được thể hiện trong hình 6.1.1. Bộ truyền động kết nối với trục van sẽ cung cấp chuyển động van.

Các thành phần chính của van cầu bao gồm:

• Thân van.
• Nắp van.
• Đế van và nút van, hoặc cốt van.
• Trục van (kết nối với bộ truyền động).
• Bố trí kín giữa thân van và nắp van. Hình 6.1.2 là sơ đồ minh họa van cầu hai cổng đế đơn. Trong trường hợp này dòng chất lỏng đẩy vào nút van và có xu hướng giữ nút van khỏi đế van.

Sự khác biệt áp suất thượng nguồn (P1) và hạ nguồn (P2) của van, mà van phải đóng đối lại, được gọi là chênh lệch áp suất (ΔP). Chênh lệch áp suất tối đa mà van có thể đóng đối lại sẽ phụ thuộc vào kích thước và loại van và bộ truyền động vận hành nó.

Nói chung, lực yêu cầu từ bộ truyền động có thể được xác định bằng phương trình 6.1.1.

Trong hệ thống hơi, chênh lệch áp suất tối đa thường được giả sử bằng áp suất tuyệt đối thượng nguồn. Điều này cho phép điều kiện chân không có thể xảy ra phía hạ nguồn van khi van đóng. Chênh lệch áp suất trong hệ thống nước kín là cột áp bơm tối đa.

Nếu van lớn hơn, có lỗ lớn hơn, được sử dụng để dẫn thể tích lớn hơn của chất lỏng, thì lực mà bộ truyền động phải tạo ra để đóng van cũng sẽ tăng. Khi công suất rất lớn phải được dẫn bằng van lớn, hoặc khi chênh lệch áp suất rất cao tồn tại, sẽ đạt đến điểm mà việc cung cấp đủ lực để đóng van đế đơn thông thường trở nên không thực tế. Trong những trường hợp đó, giải pháp truyền thống cho vấn đề này là van hai cổng đế đôi. Đúng như tên gọi, van đế đôi có hai nút van trên trục chung, với hai đế van. Không chỉ đế van có thể giữ nhỏ hơn (vì có hai) mà còn, như thể hiện trong hình 6.1.3, các lực được cân bằng một phần. Điều này có nghĩa là mặc dù chênh lệch áp suất cố gắng giữ nút van trên khỏi đế của nó (như với van đế đơn) nó cũng đang cố đẩy xuống và đóng nút van dưới.

Tuy nhiên, vấn đề tiềm ẩn tồn tại với bất kỳ van đế đôi nào. Do dung sai sản xuất và hệ số giãn nở khác nhau, ít van đế đôi có thể đảm bảo cho độ kín chặt tốt.

Độ kín chặt

Rò rỉ van điều khiển được phân loại theo lượng van sẽ rò rỉ khi đóng hoàn toàn. Tốc độ rò rỉ qua van đế đôi tiêu chuẩn tốt nhất là Class III, (rò rỉ 0,1% lưu lượng đầy đủ) có thể quá nhiều để phù hợp cho một số ứng dụng. Do đó, vì đường dẫn qua hai cổng khác nhau, các lực có thể không duy trì cân bằng khi van mở. Nhiều tiêu chuẩn quốc tế tồn tại chính thức hóa tốc độ rò rỉ trong van điều khiển. Các tốc độ rò rỉ sau được lấy từ Tiêu chuẩn Anh BS 5793 Phần 4 (IEC 60534-4). Đối với van đế đơn không cân bằng tiêu chuẩn, tốc độ rò rỉ thường là Class IV, (0,01% lưu lượng đầy đủ), mặc dù có thể đạt Class V, (1,8 x 105 x chênh lệch áp suất (bar) x đường kính đế (mm). Nói chung, tốc độ rò rỉ càng thấp chi phí càng cao.

Van đế đơn cân bằng

Do vấn đề rò rỉ liên quan đến van đế đôi, khi cần kín chặt nên chỉ định van đế đơn. Lực cần thiết để đóng van cầu đế đơn tăng đáng kể theo kích thước van. Một số van được thiết kế với cơ chế cân bằng để giảm lực đóng cần thiết, đặc biệt trên van hoạt động với chênh lệch áp suất lớn. Trong van piston cân bằng, một phần áp suất chất lỏng thượng nguồn được truyền qua đường dẫn nội bộ vào không gian phía trên nút van, hoạt động như buồng cân bằng áp suất. Áp suất chứa trong buồng này cung cấp lực hướng xuống trên nút van như thể hiện trong hình 6.1.4, cân bằng áp suất thượng nguồn và hỗ trợ lực bình thường do bộ truyền động tạo ra, để đóng van.

Van trượt, vận hành trục

Van trượt có xu hướng có hai thiết kế khác nhau; loại cửa nêm và loại trượt song song. Cả hai loại đều phù hợp để cô lập dòng chất lỏng, vì chúng cho kín chặt và, khi mở, sụt áp qua chúng rất nhỏ. Cả hai loại đều được sử dụng như van vận hành thủ công, nhưng nếu truyền động tự động được yêu cầu, van trượt song song thường được chọn, dù cho cô lập hay điều khiển. Các van điển hình được thể hiện trong hình 6.1.5.

Van trượt song song đóng bằng hai đĩa trượt tải lò xo (lò xo không thể hiện), đi qua đường dẫn chất lỏng, áp suất chất lỏng đảm bảo mối nối kín giữa đĩa hạ nguồn và đế của nó. Van trượt song song kích thước lớn được sử dụng trong đường hơi và cấp nước chính trong ngành điện lực và quy trình để cô lập các phần của nhà máy. Van trượt song song đường kính nhỏ cũng được sử dụng cho điều khiển dịch vụ hơi và nước phụ trợ mặc dù, chủ yếu do chi phí, các nhiệm vụ này thường được thực hiện bằng van bi truyền động và van piston.

Van loại quay

Van loại quay, thường gọi là van quay một phần tư, bao gồm van nút, van bi và van bướm. Tất cả yêu cầu chuyển động quay để mở và đóng, và dễ dàng được lắp bộ truyền động.

Van nút lệch tâm

Hình 6.1.6 cho thấy van nút lệch tâm điển hình. Các van này thường được lắp với trục nút ngang như thể hiện, và bộ truyền động gắn bên cạnh van. Van nút có thể bao gồm cơ cấu liên kết giữa nút van và bộ truyền động để cải thiện đòn bẩy và lực đóng, và bộ định vị đặc biệt sửa đổi đặc tính van vốn có sang đặc tính phần trăm bằng nhau hữu ích hơn (đặc tính van được thảo luận trong Mô-đun 6.5).

Van bi

Hình 6.1.7 cho thấy van bi bao gồm bi hình cầu nằm giữa hai vòng kín trong thân đơn giản. Bi có lỗ cho phép chất lỏng đi qua. Khi thẳng hàng với đầu ống, điều này cho dòng toàn bộ hoặc gần toàn bộ với rất ít sụt áp. Quay bi 90° mở và đóng đường dẫn dòng. Van bi được thiết kế đặc biệt cho mục đích điều khiển sẽ có bi hoặc đế có đặc tính, để cho mẫu dòng dự đoán được.

Van bi là phương tiện kinh tế để cung cấp kiểm soát với kín chặt cho nhiều chất lỏng bao gồm hơi ở nhiệt độ lên đến 250°C (38 bar g, hơi bão hòa). Trên nhiệt độ này, vật liệu đế đặc biệt hoặc kín kim loại-kim loại là cần thiết, có thể đắt. Van bi dễ vận hành và thường được sử dụng cho cô lập và điều khiển từ xa. Đối với ứng dụng điều khiển quan trọng, bi phân đoạn và bi có lỗ hình dạng đặc biệt có sẵn để cung cấp đặc tính dòng khác nhau.

Van bướm

Hình 6.1.8 là sơ đồ đơn giản van bướm, bao gồm đĩa quay trong ổ bi trụ. Ở vị trí mở đĩa song song với thành ống, cho phép dòng đầy qua van. Ở vị trí đóng nó được quay vào đế, và vuông góc với thành ống.

Truyền thống, van bướm giới hạn ở áp suất và nhiệt độ thấp, do giới hạn vốn có của đế mềm sử dụng. Hiện tại, van có đế nhiệt độ cao hơn hoặc kín kim loại-kim loại chất lượng cao và gia công đặc biệt có sẵn để khắc phục những hạn chế này. Van bướm tiêu chuẩn hiện được sử dụng trong ứng dụng điều khiển đơn giản, đặc biệt ở kích thước lớn và khi yêu cầu tầm điều khiển hạn chế.

Van bướm đặc biệt có sẵn cho công việc đòi hỏi cao hơn. Chất lỏng chảy qua van bướm tạo sụt áp thấp, ở chỗ van ít cản dòng khi mở. Tuy nhiên, nói chung, giới hạn chênh lệch áp suất của chúng thấp hơn so với van cầu. Van bi tương tự ngoại trừ do bố trí kín khác nhau, chúng có thể hoạt động với chênh lệch áp suất cao hơn van bướm tương đương.

Tùy chọn

Luôn có nhiều tùy chọn để xem xét khi chọn van điều khiển. Đối với van cầu, chúng bao gồm lựa chọn vật liệu kín trục và cấu hình kín trục, được thiết kế để van phù hợp sử dụng ở nhiệt độ cao hơn hoặc cho chất lỏng khác nhau. Một số ví dụ về những loại này có thể được thấy trong sơ đồ đơn giản trong hình 6.1.9. Cần lưu ý rằng một số loại kín trục tạo ma sát lớn hơn với trục van so với loại khác. Ví dụ, loại kín kiểu hộp nhồi truyền thống sẽ tạo ma sát lớn hơn loại PTFE hình chữ V lò xo hoặc loại kín bellow. Ma sát lớn hơn yêu cầu lực bộ truyền động cao hơn và sẽ có xu hướng chuyển động ngẫu nhiên tăng. Kín tải lò xo tự điều chỉnh lại khi mòn. Điều này giảm nhu cầu bảo dưỡng thủ công thường xuyên. Van kín bellow là đắt nhất trong ba loại này, nhưng cung cấp ma sát tối thiểu với cơ chế kín trục tốt nhất. Như thể hiện trong hình 6.1.9, van kín bellow thường có một bộ kín truyền thống khác ở trên cùng vỏ trục van. Điều này sẽ hoạt động như phòng thủ cuối cùng chống bất kỳ cơ hội rò rỉ qua trục ra khí quyển.

Van cũng có nhiều cách hướng dẫn nút van bên trong thân. Một phương pháp hướng dẫn phổ biến, như mô tả trong hình 6.1.10, là phương pháp ‘hướng dẫn kép’, trong đó trục được hướng dẫn ở cả trên và dưới chiều dài. Một loại khác là phương pháp ‘nút van hướng dẫn’ trong đó nút van có thể được hướng dẫn bởi lồng hoặc khung. Một số van có thể sử dụng nút van đục lỗ, kết hợp hướng dẫn nút van và giảm tiếng ồn.

Tóm tắt van hai cổng sử dụng cho điều khiển tự động

Loại van được sử dụng rộng rãi nhất cho điều khiển tự động quy trình và ứng dụng hơi là van cầu. Nó tương đối dễ vận hành, linh hoạt, và có đặc tính vốn có phù hợp với nhu cầu điều khiển tự động của hơi. Cũng nên nói rằng van điều khiển tự động hai cổng cũng được sử dụng trong hệ thống chất lỏng, như hệ thống nước nóng nhiệt độ thấp, trung bình và cao, và hệ thống dầu nhiệt. Hệ thống chất lỏng mang nhu cầu vốn có được cân bằng về lưu lượng khối. Trong nhiều trường hợp, hệ thống được thiết kế mà van hai cổng có thể được sử dụng mà không phá hủy sự cân bằng mạng lưới phân phối. Tuy nhiên, khi van hai cổng không thể sử dụng trên hệ thống chất lỏng, van ba cổng được lắp, vốn duy trì cân bằng qua hệ thống phân phối, bằng cách hoạt động theo kiểu chuyển hướng hoặc trộn.

Van ba cổng

Van ba cổng có thể được sử dụng cho dịch vụ trộn hoặc chuyển hướng tùy thuộc vào bố trí nút van và đế bên trong van. Định nghĩa đơn giản của mỗi chức năng được thể hiện trong hình 6.1.11.

Van piston

Loại van này có piston rỗng, (hình 6.1.12), được di chuyển lên xuống bởi bộ truyền động, che và tương ứng mở hai cổng A và B. Cổng A và cổng B có cùng diện tích lưu thông chất lỏng tổng thể và, tại bất kỳ thời điểm nào, tổng diện tích tiết diện của cả hai luôn bằng nhau. Ví dụ, nếu cổng A mở 30%, cổng B mở 70%, và ngược lại. Loại van này vốn cân bằng và được vận hành bởi hệ thống điều khiển tự hành. Lưu ý: Cấu hình cổng có thể khác giữa các nhà sản xuất.

Van ba cổng loại cầu (còn gọi ‘nâng và đặt’)

Ở đây, bộ truyền động đẩy đĩa hoặc cặp nút van giữa hai đế (hình 6.1.13), tăng hoặc giảm dòng qua cổng A và B theo cách tương ứng.

Lưu ý: Đặc tính tuyến tính đạt được bằng cách tạo hình thân nút van (xem hình 6.1.14).

Van ba cổng đế xoay

Loại van này sử dụng đế xoay, di chuyển qua lại trên bề mặt cổng. Bố trí sơ đồ trong hình 6.1.15 minh họa ứng dụng trộn với khoảng 80% chảy qua cổng A và 20% qua cổng B, 100% ra qua cổng AB.

Sử dụng van ba cổng

Không phải tất cả các loại đều có thể sử dụng cho cả dịch vụ trộn và chuyển hướng. Hình 6.1.16 cho thấy ứng dụng sai của van cầu sản xuất như van trộn nhưng được sử dụng như van chuyển hướng.

Dòng chảy đi vào van qua cổng AB có thể ra từ một trong hai cổng ra A hoặc B, hoặc tỷ lệ có thể ra từ mỗi cổng. Với cổng A mở và cổng B đóng, chênh lệch áp suất của hệ thống sẽ được áp dụng vào một bên nút van.

Khi cổng A đóng, cổng B mở, và chênh lệch áp suất sẽ được áp dụng qua bên kia nút van. Ở vị trí nút van trung gian nào đó, chênh lệch áp suất sẽ đảo ngược. Sự đảo ngược áp suất này có thể khiến nút van di chuyển khỏi vị trí, cho kiểm soát kém và tiếng ồn có thể khi nút van ‘rung’ trên đế. Để khắc phục vấn đề này trên van nút được thiết kế cho chuyển hướng, cấu hình đế khác được sử dụng, như thể hiện trong hình 6.1.17. Ở đây, chênh lệch áp suất được áp dụng đều vào cùng bên của cả hai nút van tại mọi thời điểm.

Trong mạch kín, có thể sử dụng van trộn hoặc van chuyển hướng, tùy thuộc vào thiết kế hệ thống, như mô tả trong hình 6.1.18 và 6.1.19.

Trong hình 6.1.18, van được thiết kế như van trộn vì nó có hai đầu vào và một đầu ra. Tuy nhiên, khi đặt trong đường ống hồi từ tải, nó thực sự thực hiện chức năng chuyển hướng, vì nó chuyển hướng nước nóng ra khỏi bộ trao đổi nhiệt.

Xem xét van trộn sử dụng trong hình 6.1.18, khi bộ trao đổi nhiệt yêu cầu nhiệt tối đa, có thể khi khởi động, cổng A sẽ mở hoàn toàn, và cổng B đóng hoàn toàn. Toàn bộ nước đi từ lò hơi đi qua bộ trao đổi nhiệt và đi qua van qua cổng AB và A. Khi tải nhiệt được đáp ứng, cổng A sẽ đóng hoàn toàn và cổng B mở hoàn toàn, và toàn bộ nước đi từ lò hơi bypass tải và đi qua van qua cổng AB và B. Theo nghĩa này, nước được chuyển hướng từ bộ trao đổi nhiệt theo yêu cầu của tải nhiệt.

Cùng hiệu ứng có thể đạt được bằng cách lắp van chuyển hướng trong đường ống dòng, như mô tả bởi hình 6.1.19.