調節弁の選定方法

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調節弁は、工業プロセス制御システムにおける最終的な実行要素であり、工業プロセスの連続生産自動制御システムでは、プロセス生産におけるさまざまな工程パラメータを制御するために調節弁が一般的に使用されます。これにより、流体の圧力、温度、流量、液面などのパラメータを調整することができ、通常、工業プロセスの自動化生産における「手と足」と呼ばれています。その適用品質は、システムの調整品質に直接的に反映される。プロセス制御における末端実行要素として、その重要性は過去よりも一層深く認識されている。調節弁の性能は、製品の品質やユーザーによる正しい取り付け・使用・メンテナンスに加えて、適切な計算による選定が非常に重要です。計算による選定のミスにより、システムの動作が不安定になり、使用できないケースも多く見られます。したがって、ユーザーおよびシステム設計者は、調節弁の現場における重要性を十分に認識し、調節弁の選定に十分な注意を払う必要がある。調節弁の選定における一般的な原則は、使用機能を満たす前提のもと、選ばれる調節弁は構造がシンプルで、性能が信頼性に優れ、価格が安く、寿命が長く、メンテナンスが容易であることなどです。ここでは、調節弁のタイプ選定と付属品の選定について重点的に説明します。1 調節弁のバルブタイプの選定
調節弁の分類方法は多く存在するが、現在、国内外で一般的に用いられている分類法は、構造、原理、機能によって分類するもので、合計9つの大きなカテゴリーに分けられる。すなわち、直通単座調節弁、直通双座調節弁、スリーブ調節弁、コーナータイプ調節弁、三通調節弁、ダイヤフラム弁、バタフライ弁、ボール弁、および偏心回転弁である。これら9つの製品が最も基本的で一般的なもので、通常は標準型製品と呼ばれる。その他は、これらを基に実際の用途に応じて改良されたもので、特殊型製品と呼ばれる。1.1 標準型調節弁の特徴と適切な選定 1.1.1 直通単座調節弁 直通単座調節弁はバルブコアとバルブシートが1つずつしかなく、厳密なシールを実現しやすい。金属同士の硬質シール、または金属とポリテトラフルオロエチレンやその他の複合材料を用いた軟質シールを採用できる。標準的な漏れ量は0.01%C（Cは定格流量係数）であり、許容される圧力差は小さく、流量も少ない。例えば、DN100の単座調節弁では許容圧力差はわずか120kPaで、流量は100に過ぎない。流路が複雑で構造がシンプルであり、漏れが厳しく制限され、動作圧力差が小さい清浄な媒体を扱う場面に適している。しかし、小口径の調節弁（DN1/2、3/4、20）は圧力差が大きい場面でも使用可能で、最も広く利用されている調節弁の一つである。さらに設計を変更すれば、遮断弁としても使用できる。バルブコアの形状が流量特性を決定し、侵食を受けると元の特性を失うため、バルブコアを交換することで流量特性を変更できる。しかし、流体媒体によるバルブコアへの推力が大きく、つまり不均衡力が大きいため、より大きな推力を持つアクチュエータが必要となる。そのため、高圧差や大口径の用途では、この種の調節弁は適していない。このバルブを選定する際は、圧力差のチェックに特に注意し、押し開かれるのを防がなければなりません。1.1.2 直通型二座調節弁
直通型二座調節弁には2つのバルブコアと2つのバルブシートがあり、上部のバルブコアにかかる上向きの力と下部のバルブコアにかかる下向きの力がほぼ釣り合っているため、全体のバルブコアにかかる不均衡な力が小さく、許容される圧力差も大きくなります。例えば、DN100の二座調節弁では280kPaの圧力差に耐えられ、流量も大きいです。同じ口径の他の調節弁と比べて、二座調節弁の方がより多くの流体を流すことができ、同口径の二座調節弁の流量は一座調節弁の約20％～50％多くなります。例えば、DN100の2座式調節弁の流量は160に達します。したがって、同じ流量制御能力を得るために、二座式調節弁ではより小さな推力のアクチュエータを選択できる。二重座調節弁は上下二重ガイド方式を採用しているため、通常形弁と逆形弁の切り替えが容易であり、アクチュエータの正作用または逆作用タイプを変更することなく、バルブ芯とバルブシートの向きを入れ替えるだけで通常形弁から逆形弁へ、あるいは逆形弁から通常形弁へと変更できる。二重座調節弁の上下のバルブコアは同時に閉じることができず、漏れ量が多く、標準的な漏れ量は0.1%C（Cは定格流量係数）である；流路が複雑であり、高圧差の用途には適していません。なぜなら、そのような用途ではバルブが高圧の流体によって激しく侵食され、さらに気化やキャビテーションが発生しやすく、バルブ本体への侵食が悪化するからです。同様に、繊維を含む媒体や高粘度の流体の制御にも適していません。1.1.3 スリーブ調整弁
スリーブ調整弁はケージバルブとも呼ばれ、その内部部品にはバルブコアとバルブケージ（スリーブ）が用いられる。スリーブは直通単座調整弁のほか、双座調整弁や角形調整弁などでも使用される。シングルシール型とダブルシール型の2つの構造があり、前者は単座調整弁に相当し、単座調整弁が適用される場面に使用される；後者は二重座調節弁に相当し、二重座調節弁が使用される場面に適している。その他、安定性に優れ、取り付けや取り外しが容易で、メンテナンスも簡単であり、騒音を低減しキャビテーションの影響を軽減するという特長がある。しかし、シングル・ダブルシート式調節弁に比べて価格が50％～200％高く、専用の巻き込み型シールパッドも必要である。そのため、シングル・ダブルシート式調節弁に次いで広く使用されているが、汚れた媒体や結晶化しやすく、滞留やスケールが発生しやすい媒体にはこのバルブを使用すべきではない。1.1.4 角形調節弁
角形調節弁とは、特殊なバルブ本体構造を持つシングルシート式調節弁であり、特定の配管や流体の使用環境に適している。これは、通常の直通型のバルブ本体を角形（つまりエルボーのような形状）に変えたもので、その流量制御の仕組みや負荷のかかり方は、シングルシート式調節弁と全く同じである。単座調節弁の漏れが少なく、許容圧力差が小さいという特長を保持している。さらに、流路がシンプルで「自己清浄」機能を持つため、汚れた媒体にも適用可能であり、さらに詰まりを防ぐ角バルブとして改良することもでき、懸濁粒子を含む媒体の使用環境にも適しており、特に設置スペースが限られている場所で非常に有用です。1.1.5 三通調節弁　三通調節弁はバルブシート自体の案内機能を利用しており、気開式か気閉式かを変更する場合はアクチュエータを交換する必要がある。なお、その気開式・気閉式の意味は他の調節弁とは異なり、どの方向、つまり水平位置か垂直位置かに対してそれぞれ適用されるのかを明確にしなければならない。3つのチャネルを備えており、2つの直通式シングルシート調節弁に代わって、2つの流体を分岐または合流させるため、また温度差が150℃以下の場合に使用できます。DNが80mm以下の場合は、合流弁を分岐用としても使用できます。1.1.6ダイアフラム調節弁 ダイアフラム調節弁は、耐腐食性のあるダイアフラムと、耐腐食性材料で内張りされたバルブ本体から構成されており、流路がシンプルで、汚れた媒体や弱腐食性の媒体を扱う2位置切替用に適している。それは最も初期の調節弁の一つであり、ほぼ即時開放型の流量特性を持つため調節性能が悪く、さらにダイヤフラムやライニングの材質の影響を受けるため、高温・高圧といった使用条件では利用できない。一般的な使用圧力は≤1.6MPa、使用温度は≤150℃であり、加えてダイヤフラムが破損しやすく寿命が短いという欠点もあるため、現在ではあまり使用されていない。1.1.7 バタフライバルブ　バタフライバルブは、バルブ本体として管の一部を使用し、中央にバルブプレートを設けて流量を制御する、最も一般的な回転式調節バルブです。低圧、中圧、またはごくまれに高静圧・大流量の場面で使用可能ですが、圧力差には制限があります。体積が小さく重量も軽く、同口径の球形調節弁に比べて4～10倍軽量です。口径と価格の比率が低く、特に大口径の場面に適しており、調節弁の口径が大きくなるほどこの特徴は顕著になります。一般的にDNが300mmを超える場合は、通常バタフライバルブが使用されます。1.1.8 ボールバルブ　ボールバルブは成熟した古い製品で、「O」型と「V」型のものがあり、流路が最もシンプルで、流れの抵抗や損失も最小限であり、「自己清掃」機能も備えている。"O字型ボールバルブは抵抗のない調節弁で、同規格の中では定格流量係数が最も高く、大量の流体や汚れた媒体が使用される場面でよく用いられます；"「V」字型ボールバルブは、ほぼ対数曲線に近い流量特性を持ち、調整比も大きい。「V」字型のボールコアがバルブシートと相対的に回転する際にせん断力が生じるため、特に高粘度の流体や懸濁液、パルプなど、不純物が多く繊維を含む媒体の調節や遮断に適している。ボールバルブの価格は比較的高いです。1.1.9 偏心回転弁はカム屈曲弁とも呼ばれ、ボールバルブとバタフライバルブの長所を組み合わせたもので、流路がシンプルで「自己清掃」性能と調節性能に優れ、結晶化した媒体や不純物を含む媒体の処理に適している；バルブ本体は体積が小さく重量も軽く、設置場所に応じて部品を交換することなく柔軟に組み立てることができる；定格流量係数が大きく、同口径のシングルシート・ダブルシート調節弁と比べて10％～30％高い。調整比も大きく、100：1に達する；バルブシートのシール性は優れており、バルブコア支持アームの弾性作用とバルブコアの球面による偏心回転運動によって必要な操作トルクが低減され、ある程度の非対称性が補償されるため、開放・閉鎖状態や高圧差の下でも安定して動作する；比例制御時にはポジショナーが必要で、ポジショナー内の凸板の位置を変更することで、直線的または等比率の流量特性を容易に得ることができる。1.2 特殊型調節弁の選定は特殊な用途向けであり、上記の調節弁をベースに、バルブカバーを長くしたり放熱フィンを追加したりすることで、低温および高温環境での使用が可能となる；複数のスプリングを用いたアクチュエータにより、全体の調節バルブの体積と重量を削減できる；騒音を低減するため、一連の騒音低減策を用いて設計されたものが、低騒音調節弁となります。また、メンテナンスや清掃を容易にするためにバルブ本体を分離した構造を採用した、バルブ本体分離式調節弁もあります；連続動作の高速化要求に対応する高速遮断調節弁；低流量制御の要求に応じて設計された低流量調整バルブ；漏れを防ぐために使用されるリブ付きチューブ式シール調節弁など。 これらの特殊なタイプの調節弁は、特殊な工程や特定の使用場面でのニーズを満たすために用いられる専用の弁であり、非標準品に属します。これらは、作業条件が複雑で使用要求が高く、生産ロットが小さいという特徴を持っており、これらの調節弁は通常、標準タイプの製品を使用要求に合わせて改良発展させたものです。したがって、まずは非特殊性に基づいてその基本形を決定し、その後、特殊性に応じて対応する変形形態や材料などを決定するべきである。調節弁の付属品には、主にバルブポジショナー、バルブ位置スイッチ、空気圧式保持弁、空気圧式リレー、電磁弁、空気フィルター減圧器、ハンドホイール機構、バルブ位置伝送器、コンバータなどがあります。その中で、バルブポジショナーには電気式バルブポジショナーと空気式バルブポジショナーがあり、主に調節バルブの動作特性を向上させ、正確な位置決めを実現し、調節バルブの位置の線形性を高め、調節信号の伝達遅れを減少させ、調節バルブの流量特性を変更し、調節バルブの信号圧力に対する応答範囲を変え、ステップ制御と正確な位置決めを実現するために使用される。それは調節バルブの最も重要な付属品の一つであり、その良し悪しは調節バルブおよび調節システムの性能と品質に直接影響を与えます。以下では、バルブポジショナーを選定する際に考慮すべきいくつかの主要な要素について詳しく説明します。1）バルブポジショナーが「ステップ機能」を実現できるかどうか、つまり、バルブポジショナーが入力信号の特定の範囲に対してのみ応答するかどうかです。もしバルブポジショナーがこの機能を実現できれば、実際のニーズに応じて1つの入力信号で2台以上の調節バルブを制御することができる； 2）ゼロ点と測定範囲の調整は容易か、キャリブレーションは独立して行えるか、安定性はどうか； 3）バルブポジショナーの精度はどうか。理想的な動作状態において、ある入力信号に対して、調節バルブの内部部品（調節バルブのバルブコア、バルブシャフト、バルブシートなど）は、ストロークの方向や調節バルブの内部部品が受ける負荷の大きさに関係なく、毎回正確に所定の位置に配置されなければならない； 4）バルブポジショナーの動作速度はどの程度で、周波数特性はどうか。なぜなら、バルブポジショナーは入力信号とバルブの位置を継続的に比較し、その差分に応じて自身の出力を調整するからです。バルブポジショナーがこのような偏差に対して速く応答する場合、単位時間あたりの媒体の流量が多くなり、制御システムは設定値や負荷の変化に対してより速く応答する。つまり、システムの誤差が小さくなり、制御品質も向上する。一般的に、周波数特性が高いほど、つまり周波数応答に対する感度が高いほど、制御性能はより良くなる。注意すべき点は、周波数特性の評価にあたっては理論のみに頼るのではなく、実験と理論を組み合わせた手法を用いるべきであり、評価時には実験手法が安定かつ科学的でなければならない。また、バルブポジショナーとアクチュエータも一緒に考慮する必要がある； 5）バルブポジショナーと調節弁を組み合わせた場合、その位置決め分解能はどのように変化するか。位置分解能は調節システムの制御品質に非常に大きな影響を与えます。分解能が高いほど、調節バルブの位置は理想的な値により近づき、調節バルブのオーバートリミングによって生じる変動が効果的に抑制されるため、最終的に調節対象量の周期的な変動を抑えることができます。 6）バルブポジショナーの最大定格供給圧力がアクチュエータの定格動作圧力と一致しているか、取り付けや接続が容易か、メンテナンス量と保守の難易度はどうか、など。 また、バルブポジショナーを除く他の付属品は比較的単純なため、ここでは繰り返し説明する必要はありません。すべての付属品は補助機能を果たし、調節弁が正しく動作することを保証する役割を持っています。選定時に守るべき原則は、必要なものだけを追加し、不必要なものは排除することです。そうでなければ、制御システムの運用コストが上昇し、信頼性が低下するだけです。3 結論 調節弁の適切な選定は、調節弁をうまく活用するための第一歩であり、最も重要なステップです。選定の良し悪しが調節弁の使用効果に直結し、ひいてはシステムの調節品質に影響を与えます。もちろん、選定作業はかなり複雑であり、同時に一つの学問でもあって、実際の運用の中で絶えず探求し、まとめていく必要がある。したがって、調節弁の選定にあたっては、関連する専門知識を十分に理解した上で、一定の方法や技術を習得する必要があります。そうすることによってのみ、工業プロセスの自動制御において「手」と「足」としての役割を真に発揮することができるのです。