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La vanne de régulation est un actuateur couramment utilisé dans les systèmes de contrôle automatique, servant à réguler le débit de l’objet contrôlé. Le choix correct de la vanne de régulation est la garantie de la qualité de contrôle du système de régulation. Une description détaillée est donnée de la classification par composition et des caractéristiques de débit des vannes de régulation, ainsi que des méthodes de sélection de ces dernières et des points à prendre en compte. Préface 0 La vanne de régulation est un actuateur couramment utilisé dans les systèmes de contrôle automatique ; c’est l’élément de commande principal à l’extrémité du système, qui contrôle directement le débit du fluide à réguler. La vanne de régulation se compose d’un organe d’exécution et d’un organe de régulation ; elle reçoit des signaux de commande provenant d’un régulateur ou d’un ordinateur, afin de modifier le débit du fluide contrôlé et de maintenir le paramètre à réguler dans la plage souhaitée, ce qui permet l’automatisation du contrôle du processus. Dans le domaine du contrôle automatique, la stabilité du processus de contrôle dépend directement de la capacité de la vanne de régulation à fonctionner avec précision, permettant ainsi au contrôle du processus de se manifester par des variations exactes de l’énergie et du débit des matériaux. Par conséquent, il faut choisir des vannes de régulation différentes en fonction des besoins. Le choix de la vanne de régulation appropriée est le principal problème dans la conception des circuits, et constitue également la clé pour assurer un fonctionnement sûr et stable du système de régulation. Sélection du type 1 Une vanne de régulation se compose généralement d’un actuateur et d’une vanne. La vanne de régulation est le mécanisme de régulation d’une vanne de régulation ; elle modifie l’ouverture de la vanne en fonction des exigences du signal de contrôle afin de réguler le débit, et constitue un élément de restriction dont la résistance locale peut varier. La vanne de régulation se compose principalement de couvercles supérieur et inférieur, d’un corps de vanne, d’un élément de commande, d’un siège de vanne, d’un rembourrage et d’une plaque de compression. Dans les systèmes de contrôle automatique, les principaux médias de régulation pour les vannes sont l’eau et la vapeur, entre autres. Lorsque la pression est relativement faible et que les conditions d’utilisation sont simples, les vannes de régulation couramment utilisées comprennent les vannes de régulation à passage direct, les vannes de régulation à trois voies et les vannes à ailettes. Les actionneurs peuvent être classés en trois types en fonction du type d’énergie utilisée : les actionneurs pneumatiques, qui utilisent de l’air comprimé comme source d’énergie ; les actionneurs électriques, qui utilisent de l’électricité comme source d’énergie ; et les actionneurs hydrauliques, qui utilisent la pression d’un fluide (comme l’huile) comme source d’énergie. Parmi eux, les actionneurs pneumatiques présentent des avantages tels qu’une structure simple, un fonctionnement fiable, des performances stables, un prix bas, une maintenance facile, ainsi que des propriétés ignifuges et antideflagrantes ; ils sont donc largement utilisés dans de nombreux systèmes de contrôle. Bien que les actionneurs électriques ne soient pas adaptés à la prévention des incendies et des explosions, leur source d’alimentation est facilement accessible, la transmission des signaux est rapide, ce qui permet une transmission à longue distance ; de plus, ils sont de petite taille, fiables dans leur fonctionnement, faciles à entretenir et bon marché. Les actionneurs hydrauliques offrent une force de poussée maximale, ainsi qu’une précision élevée de réglage, une vitesse d’action rapide et une marche fluide, mais leur taille est importante et le processus de fabrication est complexe. (1) Sélection du type de vanne de régulation La sélection du type de corps de la vanne de régulation est l’étape la plus importante dans le choix d’une telle vanne. Avant de choisir une vanne, il est nécessaire d’analyser attentivement le milieu du processus de contrôle, les conditions et paramètres de l’opération, afin de comprendre les exigences du système en matière de vanne de régulation. Le type de vanne à utiliser est alors déterminé sur la base des données recueillies. Lors du choix concrète, on peut prendre en compte les aspects suivants : principalement en fonction des caractéristiques de débit sélectionnées et des forces d’asymétrie ; ① La forme et la structure du corps de vanne : lorsque le fluide est une suspension contenant des particules abrasives à forte concentration, chaque fermeture de la jointure entre le corps de vanne et le siège subit un frottement intense. Par conséquent, le passage du valve doit être lisse et les matériaux internes de la valve doivent être résistants ; ② Résistance à l’usure : étant donné que le fluide est corrosif, il convient, dans la mesure du possible, de choisir des valves à structure simple tant que cela permet d’assurer la fonction de régulation ; ③ Résistance à la corrosion : lorsque la température et la pression du fluide sont élevées et sujets à de fortes variations, il faut choisir des valves dont les matériaux du corps de la valve et du siège sont peu sensibles aux variations de température et de pression ; ④ Température et pression du fluide : la flash évaporation et la cavitation ne se produisent que dans les fluides liquides. Dans le processus de production réel, la flash et la cavitation non seulement affectent le calcul du coefficient de débit, mais provoquent également des vibrations et du bruit, raccourcissant ainsi la durée de vie de la vanne ; par conséquent, lors du choix d’une vanne, il convient d’éviter que celle-ci ne subisse de flash et de cavitation. ⑤ Prévention de la flash et de la cavitation (2) Sélection de l’actionneur de la vanne d’ajustement Quel que soit le type d’actionneur, sa force de sortie sert à surmonter les charges (il s’agit principalement des forces de déséquilibre et des moments de déséquilibre, de la force de frottement, de la force de serrage, de la gravité et autres forces similaires). Par conséquent, pour que la vanne de régulation fonctionne correctement, l’actionneur associé doit être capable de générer une force de sortie suffisante pour surmonter diverses résistances, assurer un étanchéité parfaite et ouvrir la vanne. ① Une fois la force de sortie de l’actuateur déterminée, en tenant compte des exigences de l’environnement d’utilisation du procédé, on choisit l’actuateur approprié. Par exemple, lorsque des exigences de protection contre les explosions sont présentes sur le site, il convient d’utiliser des actionneurs pneumatiques, avec des boîtiers de connexion étanches aux explosions ; les actionneurs électriques ne peuvent pas être choisis. S’il n’y a pas de exigences de résistance aux explosions, on peut choisir soit des actionneurs pneumatiques, soit des actionneurs électriques ; cependant, du point de vue de l’économie d’énergie, il convient de privilégier les actionneurs électriques. Pour les actionneurs hydrauliques, bien que leur utilisation ne soit pas aussi répandue que celle des actionneurs pneumatiques ou électriques, ils se distinguent par une grande précision de régulation, une vitesse d’action rapide et une marche fluide. C’est pourquoi, dans des situations particulières, on les emploie également afin d’obtenir de meilleurs résultats de régulation. Enfin, il faut également prendre en compte la fiabilité et l’économie de l’actuateur, en choisissant un actuateur dont le fonctionnement est fluide, qui est léger, au design esthétique, à la structure simple et facile à entretenir. ② Analyse des caractéristiques de débit en tenant compte des exigences environnementales de l’organe d’exécution 2 2.1 Principe de fonctionnement : p1 ——— pression avant la vanne de régulation ; Selon la mécanique des fluides, la vanne de régulation est un élément de restriction dont la résistance locale peut varier. Pour un fluide incompressible, débit de la vanne de régulation : p2 ——— pression derrière la vanne de régulation ; A ——— section d’écoulement de la vanne ; ξ——— coefficient de résistance de la vanne de régulation ; ρ——— densité du fluide. D’après l’équation (1), lorsque A est constant et que Δp = p1 – p2 reste également constant, le débit Q à travers la vanne varie en fonction du coefficient de résistance ξ ; en d’autres termes, plus le coefficient de résistance ξ est élevé, plus le débit est faible. Le coefficient de résistance ξ dépend quant à lui de la structure de la vanne et de son degré d’ouverture. Ainsi, le signal de sortie du régulateur commande l’ouverture ou la fermeture de la vanne, ce qui permet de modifier le coefficient de résistance de la vanne et, par conséquent, le débit du fluide régulé. 2.2 Analyse des caractéristiques de débit Les caractéristiques de débit d’une vanne de régulation désignent la relation entre le débit relatif du fluide qui traverse la vanne et l’ouverture relative de cette dernière. Les caractéristiques de débit d’une vanne de régulation comprennent les caractéristiques de débit idéales et les caractéristiques de débit en service. Les caractéristiques de débit idéales désignent les caractéristiques de débit lorsque la différence de pression avant et après la vanne de régulation reste constante ; il existe quatre types de caractéristiques : linéaire, à pourcentage constant, parabolique et à ouverture rapide, comme indiqué dans le tableau 1. Dans un système réel, la chute de pression des deux côtés de la vanne n’est pas constante. Les causes principales de ces variations sont principalement deux : ① En raison des caractéristiques de la pompe, lorsque le débit du système diminue, la pression du système générée par la pompe augmente ; ② Lorsque le débit diminue, la résistance sur les tubes coils diminue également, ce qui entraîne une pression de pompe plus élevée exercée sur la vanne. Par conséquent, la différence de pression avant et après la vanne de régulation est généralement variable. Dans ce cas, la relation entre le débit relatif et l’ouverture relative de la vanne de régulation est appelée caractéristique de débit en service. On peut les distinguer en fonction des caractéristiques du débit de fonctionnement lors de tuyauteries en série, et celles lors de tuyauteries en parallèle. 4 caractéristiques de débit idéales pour les vannes de régulation Tableau 1 Caractéristiques de débit : nature et particularités Linéaire : la relation entre le débit relatif d’une vanne de régulation et son ouverture relative est linéaire, c’est-à-dire que la variation du débit relatif induite par une unité de variation de l’ouverture relative est une constante. (1) À faible ouverture, la variation du débit est importante, tandis qu’à grande ouverture, cette variation est faible ; (2) À faible charge, la capacité de régulation est trop sensible, ce qui provoque des oscillations, tandis qu’à forte charge, la régulation est lente et insuffisante ; (3) Capacité d’adaptation médiocre. Pourcentage égal : La variation du débit relatif causée par une variation relative de la course de l’unité est proportionnelle au débit relatif en ce point. (1) Le pourcentage de variation du débit induit par une variation de la course est identique ; (2) Sur toute la plage de course, le fonctionnement est relativement stable, en particulier à grande ouverture, où le facteur d’amplification est élevé, rendant le fonctionnement plus sensible et efficace ; (3) Large champ d’application et forte adaptabilité. (1) Ses caractéristiques se situent entre celles de la loi linéaire et celles de la loi équidistante ; (2) Performances de régulation assez idéales, mais usinage du corps de vanne difficile. Les caractéristiques de la parabole se situent entre celles de la ligne droite et celles de l’équidistribution en pourcentages, mais on utilise souvent celles de l’équidistribution en pourcentages à leur place. Ouverture rapide : Lorsque la course de la vanne est faible, le débit augmente considérablement et atteint rapidement sa valeur maximale. (1) Le débit est déjà élevé à faible ouverture ; avec l’augmentation de la course, le débit atteint rapidement sa valeur maximale ; (2) Il est généralement utilisé pour la régulation à deux positions et le contrôle programmé. (1) Caractéristiques du débit en série des tuyaux Lorsqu’une vanne de régulation est connectée en série avec des tuyaux, les variations de l’ouverture de la vanne entraînent des changements de débit. Selon les principes de la mécanique des fluides, la perte de charge dans les tuyaux est proportionnelle au carré du débit. Dès que la vanne de régulation s’active, le débit change, ce qui entraîne également une modification de la résistance du système ; par conséquent, la chute de pression de la vanne de régulation varie en conséquence. Les caractéristiques du débit de fonctionnement lors du raccordement en série des tuyauteries dépendent du rapport de répartition de la chute de pression. Plus la perte de pression sur la vanne est faible, plus le débit à pleine ouverture de la vanne de régulation diminue en conséquence, ce qui déforme les caractéristiques linéaires idéales en caractéristiques de déclenchement rapide, et les caractéristiques équidistantes idéales en caractéristiques linéaires. Dans une utilisation pratique, lorsque la vanne de régulation est trop grande ou que la production n’est pas à pleine charge, celle-ci fonctionne à un faible degré d’ouverture. Parfois, afin de donner à la vanne de régulation un certain degré d’ouverture, on la ferme partiellement pour augmenter la résistance du circuit, ce qui diminue le débit traversant la vanne. En réalité, cela entraîne une baisse du rapport de répartition de la chute de pression, déforme les caractéristiques de débit et détériore la qualité de régulation. (2) Caractéristiques du débit de fonctionnement en circuit en parallèle Un circuit en parallèle est généralement composé d’un circuit de vanne et d’un circuit de dérivation, le régulateur de pression étant installé sur le circuit de vanne. La vanne de régulation étant située sur un circuit en parallèle, lorsque la résistance du système reste constante, le rapport entre le débit à pleine ouverture de la vanne de régulation et le débit maximal du collecteur diminue à mesure que la vanne de dérivation du circuit en parallèle s’ouvre progressivement. À ce moment-là, bien que les caractéristiques de débit du valve de régulation elle-même ne changent pas, la plage de réglage du système **se réduit**, et la plage de variation de débit que la valve de régulation peut contrôler pendant son fonctionnement **diminue également**, au point qu’elle ne parvient même plus à assurer une régulation. Pour que la vanne de régulation ait de bonnes performances de régulation, on considère généralement que le débit de dérivation ne doit pas dépasser 20 % du débit total. Sélection des caractéristiques de débit 3 Méthodes de sélection des caractéristiques de débit : ① Méthode analytique par calcul mathématique ; ② Méthode empirique basée sur l’expérience acquise dans les projets réels. Comme la méthode d’analyse est à la fois complexe et chronophage, on utilise généralement une méthode empirique dans les projets d’ingénierie. Plus concrètement, il convient de prendre en compte les aspects suivants : (1) La qualité de régulation du système d’automatisme. Selon le principe de compensation des caractéristiques en théorie du contrôle automatique, afin que le système conserve une bonne qualité de régulation, on souhaite que le produit entre le coefficient d’amplification total en boucle ouverte et les coefficients d’amplification de chaque élément du système reste constant. Ainsi, en choisissant de manière appropriée les caractéristiques de la valve afin de compenser les variations du coefficient d’amplification de l’objet par des variations du coefficient d’amplification de la valve, on peut maintenir le coefficient d’amplification total du système constant. (2) Le choix s’effectue en fonction des variations de la perte de charge dans le système de tuyauterie. Le rapport de perte de charge d’une vanne de régulation est défini comme le rapport entre la différence de pression avant et après la vanne Δp1m, correspondant au débit maximal qu’elle peut contrôler, et la différence de pression du système Δp. Les caractéristiques de débit de la vanne de régulation sont étroitement liées au rapport de perte de charge S, comme le montre le tableau 2. Tableau des caractéristiques des vannes de régulation selon la perte de charge du système de tuyauterie Tableau 2 Ratio de perte de charge du système de tuyauterie S 1-0,6 0,6-0,3 0,3-0 Caractéristiques du débit en service réel Linéaire Linéaire à pourcentage constant Pourcentage constant Régulation inadaptée Caractéristique de débit choisie Linéaire Linéaire à pourcentage constant Pourcentage constant (3) Analyse en fonction des variations de charge Chez les vannes linéaires, le débit varie fortement à faible ouverture, ce qui rend la régulation trop sensible et susceptible aux oscillations ; à grande ouverture, l’effet de régulation devient faible, entraînant une régulation tardive et insuffisante. Par conséquent, les vannes linéaires ne sont pas adaptées lorsque le rapport de chute de pression S est faible et que les variations de charge sont importantes. La vanne à pourcentage constant fonctionne de manière lente et régulière lorsqu’elle est proche de la fermeture, tandis qu’en état presque ouvert, son coefficient d’amplification est élevé, ce qui lui confère une sensibilité et une efficacité optimales ; par conséquent, elle convient aux situations où les variations de charge sont importantes. La vanne à ouverture rapide présente un débit élevé pour de petits déplacements, et ce débit atteint rapidement sa valeur maximale à mesure que le déplacement augmente. Elle est généralement utilisée dans les systèmes de régulation à deux positions et dans les systèmes de contrôle programmé. (4) Sélection en fonction des caractéristiques de l’objet de régulation : en général, pour tout objet de régulation possédant une capacité d’autoréglage, on peut choisir une vanne de régulation à caractéristique de débit proportionnel ; pour les objets de régulation qui n’ont pas cette capacité, on choisit une vanne de régulation à caractéristique de débit linéaire. Sélection du diamètre de la vanne de régulation 4 Le but de la sélection du diamètre de l’orifice de la vanne de régulation est de permettre à la vanne et au tuyau de former un ensemble offrant des caractéristiques linéaires raisonnables, afin de permettre un contrôle efficace de la régulation du système. Le diamètre de la vanne de régulation est déterminé en fonction de la capacité de flux requise par le procédé. La capacité de flux de la vanne de régulation est calculée à partir des conditions du procédé fournies, puis le diamètre de la vanne est choisi en fonction de cette capacité de flux. Pour choisir correctement le diamètre de la vanne de régulation, il est nécessaire de connaître sa capacité de débit. La capacité de circulation correspond à la quantité de fluide qui traverse la vanne de régulation par heure, lorsque cette dernière est entièrement ouverte, que la différence de pression aux deux extrémités de la vanne est de 9,81 × 10⁴ Pa et que la densité du fluide est de 1 g/cm³. La capacité de débit d’une vanne de régulation est un paramètre important pour choisir de manière appropriée la vanne ainsi que le diamètre de son orifice. En calculant cette capacité de débit, on détermine la taille de l’orifice en se référant aux paramètres techniques fournis par le fabricant. Dans les systèmes de contrôle automatique, l’eau est le fluide le plus courant et le plus utilisé qui circule à travers les vannes de régulation ; c’est pourquoi l’eau est prise comme exemple ici pour illustrer la capacité de débit des vannes de régulation. Dans les projets réels, le diamètre des vannes est classé en catégories, et la valeur C n’est généralement pas une valeur continue (la valeur C calculée selon la formule est continue). Les produits du même type de différents fabricants disposent de tables de correspondance différentes entre la valeur C et le calibre. Une fois la valeur C attendue calculée, on peut consulter la fiche technique correspondante du fabricant pour déterminer le diamètre de la vanne nécessaire. Le principe de sélection du diamètre de la vanne doit être aussi proche que possible ou supérieur au résultat de calcul, et ne doit pas être inférieur à ce dernier. 5 Précautions (1) Il n’est pas raisonnable de choisir la vanne de régulation en se basant uniquement sur le diamètre du tuyau d’arrivée, car la qualité de régulation de la vanne n’a aucun rapport avec la vitesse du flux ou le diamètre du tuyau ; elle dépend uniquement de la résistance de l’eau et du débit. En d’autres termes, une fois que les équipements du système sont déterminés, en théorie, il n’existe qu’un seul calibre idéal pour les vannes adaptées à ce système, sans possibilité de plusieurs choix. (2) En ce qui concerne le choix de la vanne, si son diamètre est trop petit, d’une part cela augmentera la résistance du système ; il se peut même que, même avec une ouverture de 100 % de la vanne, le système ne parvienne pas à atteindre la capacité souhaitée, entraînant des conséquences graves. D’autre part, la vanne devra faire face à une plus grande différence de pression dans le système pour maintenir un débit suffisant, ce qui alourdit la charge de la pompe, endommage facilement la vanne et a un impact important sur sa durée de vie. (3) En ce qui concerne le choix des vannes, un diamètre de vanne trop grand non seulement augmente les coûts de projet, mais entraîne également le fonctionnement fréquent de la vanne dans une plage de pourcentage faible, ce qui réduit la précision de régulation, détériore les performances de contrôle et rend le système plus susceptible aux chocs et aux oscillations. (4) Afin d’assurer la qualité de contrôle du système, la meilleure méthode consiste à choisir, dans les limites permises par le système, un diamètre de vanne permettant une plus grande chute de pression, afin que la variation de la chute de pression pendant le fonctionnement du vanne soit aussi faible que possible. Plus la perte de pression du valve en position complètement ouverte représente un pourcentage élevé de la pression totale de la pompe, plus la variation relative de cette perte de pression est faible, et plus les caractéristiques d’installation du valve se rapprochent de ses caractéristiques intrinsèques. (5) Dans les systèmes de contrôle, les vannes de régulation doivent fonctionner autant que possible dans des conditions de chute de pression constante, car la compatibilité de la vanne avec le serpentin dépend de ses caractéristiques intrinsèques et du facteur de débit, et ces paramètres de la vanne dépendent d’une chute de pression constante. En résumé, l’objectif de la conception des vannes de régulation est de garantir au mieux les exigences de qualité en matière de contrôle du système. Cela exige une compréhension claire de la composition, de la classification et des caractéristiques des vannes de régulation, ainsi que la maîtrise des méthodes de sélection appropriées sur cette base. De plus, lors de la configuration d’une vanne de régulation dans un système réel, il est nécessaire de procéder à une analyse approfondie de l’ensemble du réseau de tuyauterie, en prenant en compte divers facteurs. Ce n’est qu’ainsi que l’on peut choisir correctement la vanne de régulation afin d’assurer la qualité de contrôle du système de régulation.