Thread Content
調節弁は自動制御システムでよく使用されるアクチュエータで、制御対象の流量を調整するために用いられます。調節バルブを正しく選定することは、制御システムの品質を保証するものです。調節弁の構成分類や流量特性について詳細に説明し、調節弁の選定方法と注意すべき点を示している。はじめに 0 調節弁は自動制御システムでよく使用されるアクチュエータであり、自動制御の最終的な制御要素として機能し、制御対象となる媒体の流量を直接制御します。調節弁はアクチュエータと調節機構で構成され、調節器やコンピュータからの制御信号を受け取り、制御対象となる媒体の流量を変化させることで、調整すべきパラメータを所定の範囲内に保ち、プロセス制御の自動化を実現する。自動制御分野において、制御プロセスが安定しているかどうかは、調節弁が正確に動作し、プロセス制御が物質のエネルギーや流量の正確な変化として現れるかどうかに直接依存しています。したがって、異なるニーズに応じて適切な調節弁を選択する必要があります。適切な調節弁を選択することは、配管設計における主要な課題であり、調節システムが安全かつ安定して動作するための鍵となります。タイプ選択 1 調節弁は一般的にアクチュエータとバルブで構成されています。調節バルブとは、調節弁の制御機構であり、制御信号の要求に応じてバルブの開度を変えることで流量を調整し、局部抵抗が変化可能な節流要素です。調節バルブは、主に上下のバルブカバー、バルブボディ、バルブコア、バルブシート、ガスケット、プレスプレートなどの部品で構成されています。自動制御システムにおいて、バルブの主な調節媒体は水や蒸気などです。圧力が比較的低く、使用状況が単純な場合、よく使われる調節弁には直通調節弁、三通調節弁、バタフライバルブなどがあります。アクチュエータは使用するエネルギーの種類によって、空気圧式、電動式、液圧式の3種類に分けられる。すなわち、圧縮空気を動力源とする空気圧式制御、電気を動力源とする電動式制御、液体媒体（油など）の圧力を動力源とする液圧式制御である。その中で、空気圧アクチュエータは、構造がシンプルで動作が信頼性が高く、性能が安定しており、価格も安く、メンテナンスも容易で、防火・防爆の機能も備えているという利点があり、多くの制御システムで広く利用されています。電動アクチュエータは防火・防爆には不利だが、駆動用電源が手軽に入手でき、信号伝送速度が速く遠距離伝送に適しており、サイズが小さく、動作が信頼性が高く、メンテナンスが容易で、価格も安い。油圧アクチュエータは推力が最も大きく、調整精度が高く、動作速度が速くて安定しているが、装置のサイズが大きく、工程が複雑である。 (1) 調節バルブのタイプ選定 調節バルブのバルブ本体のタイプ選定は、調節バルブを選ぶ上で最も重要な要素です。バルブを選定する前に、制御プロセスの媒体や工程条件、パラメータを入念に分析し、調節バルブに対するシステムの要求を把握した上で、収集したデータに基づいて使用するバルブの種類を決定する必要があります。具体的な選定時には、以下の点を考慮することができる。主に、選択される流量特性や不均衡力といった要因に基づいて判断する。①バルブコアの形状構造：流体媒体が高濃度の摩耗性粒子を含む懸濁液の場合、バルブコアとバルブシートの接合面は、閉じられるたびに激しい摩擦にさらされる。したがって、バルブの流路は滑らかでなければならず、バルブの内部材料は硬質である必要がある。 ②耐摩耗性：媒体が腐食性を持つため、調節機能を満たす範囲内で、できるだけ構造がシンプルなバルブを選ぶべきである。 ③耐腐食性：媒体の温度や圧力が高く、かつ大きく変動する場合は、温度や圧力の変化に影響されにくい材質のバルブコアやバルブシートを持つバルブを選ぶべきである。 ④媒体の温度・圧力：フラッシュやキャビテーションは液体媒体においてのみ発生する。実際の製造プロセスにおいて、フラッシュやキャビテーションは流量係数の計算に影響を与えるだけでなく、振動や騒音を引き起こし、バルブの使用寿命を短くするため、バルブを選定する際にはフラッシュやキャビテーションが発生しないようにする必要がある。 ⑤スパッタリングとキャビテーションの防止 (2)調節弁アクチュエータの選定 アクチュエータの種類に関わらず、その出力は負荷を克服するための力として機能する（主に不均衡力や不均衡トルク、摩擦力、シール力、重力などの関連する力の影響を指す）。したがって、調節弁が正常に動作するためには、使用されるアクチュエータが様々な抵抗を克服し、高い密閉性と弁の開閉を確保するのに十分な出力を発生できる必要がある。 ①アクチュエータの出力を考慮し、その出力が決定した後、工程での使用環境の要件に応じて適切なアクチュエータを選択する。例えば、現場で防爆が求められる場合は、空気圧式アクチュエータを使用し、接続箱も防爆タイプでなければならず、電動アクチュエータは選択できません。防爆の要件がなければ、空気式および電動式のアクチュエータのいずれも選択可能ですが、省エネの観点からはできるだけ電動式のアクチュエータを選ぶべきです。液圧アクチュエータは、空気圧や電動アクチュエータほど広く使用されているわけではありませんが、調整精度が高く、動作速度が速く、かつスムーズであるという特長があります。そのため、特殊な状況下でより良い調整効果を得るために使用されることもあります。 最後に、アクチュエータの信頼性や経済性も考慮し、動作が滑らかで軽量、外観が美しく、構造がシンプルでメンテナンスが容易なアクチュエータを選択する必要があります。 ②アクチュエータの使用環境要件を考慮した流量特性の解析 2 2.1 功作原理式において、p1は調節弁前の圧力である。 流体力学によれば、調節弁とは局所的な抵抗が変化可能な絞り要素である。非圧縮性流体における調節弁の流量 p2 ———調節弁後の圧力； A ———節流断面積； ξ———調節弁の抵抗係数； ρ———流体の密度。 式(1)からわかるように、Aが一定でΔp＝p1－p2も一定の場合、バルブを通過する流量Qは抵抗係数ξによって変化し、つまり抵抗係数ξが大きくなるほど流量は小さくなる。また、抵抗係数ξはバルブの構造と開度に関連している。したがって、調節器の出力信号によってバルブの開閉が制御され、バルブの抵抗係数が変化し、それによって調節対象となる媒体の流量が変わります。 2.2 流量特性分析 調節弁の流量特性とは、調節される媒体が調節弁を通過する相対流量と、調節弁の相対開度との関係を指す。 調節弁の流量特性には、理想的な流量特性と実用流量特性が含まれる。理想的な流量特性とは、調節弁の前後の圧力差が一定のままでの流量特性のことで、直線型、等パーセンテージ型、放物線型、および急速開放型の4種類があり、表1に示されている。実際のシステムにおいて、バルブの両側の圧力降下は一定ではなく、それが変化する原因は主に2つあります： ①ポンプの特性により、システムの流量が減少するとポンプによって生じるシステム圧力が上昇する； ②流量が減少すると、コイルヒーター上の抵抗も減少し、その結果、より大きなポンプ圧がバルブにかかる。したがって、調節弁の前後の圧力差は通常変動するため、この場合における調節弁の相対流量と相対開度との関係を、作動流量特性と呼ぶ。具体的には、直列配管時の作動流量特性と並列配管時の作動流量特性に分けられる。調節弁の4種類の理想的な流量特性 表1 流量特性 性質 特徴 直線型 調節弁の相対流量と相対開度は直線関係にあり、つまり単位の相対ストロークの変化によって生じる相対流量の変化量は一定である。(1)開度が小さいときは流量の変動が大きく、開度が大きいときは流量の変動が小さい；(2)負荷が小さいときは調節性能が過度に敏感で振動が生じ、負荷が大きいときは調節が遅くなり適時に対応しない；(3)適応能力が低い。 等比率：単位相対ストロークによって生じる相対流量の変化は、この点での相対流量に比例する。 (1)単位ストロークの変化によって生じる流量変化の割合は一定である；(2)全ストローク範囲において動作が安定しており、特に開度が大きい場合には増幅倍率も大きくなり、より敏感かつ効果的に動作する；(3)応用範囲が広く、適応性に優れている。(1)その特性は直線特性と等パーセンテージ特性の中間に位置する；(2)調整性能は比較的理想的だが、バルブコアの加工が困難である。 放物線特性は直線特性と等パーセンタイル特性の中間的な性質を持ち、実用上はしばしば等パーセンタイル特性に置き換えて使用される。 開閉が速く、バルブのストロークが小さいときには流量が大幅に増加し、すぐに最大値に達する。 (1)小開度時にすでに流量は大きく、ストロークが増加するにつれて流量は急速に最大値に達する；(2)一般的には二段階調節やプログラム制御に用いられる。 (1) 串列配管時の流量特性 調節弁を串列に接続した場合、調節弁の開度の変化によって流量が変動する。流体力学の理論によれば、配管の抵抗損失は流量の二乗に比例する。調節弁が動作すると流量が変わり、システムの抵抗もそれに応じて変化するため、調節弁にかかる圧力降下も同様に変化する。直列に配管した場合の作動流量特性は、圧力損失の分配比率に関連している。バルブ上の圧力降下が小さくなるほど、調節弁が全開したときの流量もそれに応じて減少し、理想的な直線特性は早開特性に歪み、理想的な等パーセンテージ特性は直線特性に歪む。実際の使用において、調節弁が大きすぎる場合や生産が定格負荷でない状態のとき、調節弁は小さな開度で動作する。時には調節弁にある程度の開度を持たせるために、バルブを狭くして配管の抵抗を高め、調節弁を通過する流量を減少させる。これは実質的に圧力降下の分配比率を下げ、流量特性を歪め、調節性能を悪化させることになる。 (2) 並列配管時の作動流量特性 並列管路は一般的にバルブ支路とバイパス管支路で構成され、調節バルブはバルブ支路の配管上に設置される。並列配管上の調節弁では、システムの抵抗が一定の場合、調節弁を全開したときの流量と主管の最大流量との比率は、並列配管のバイパス弁が徐々に開くにつれて減少する。このとき、調節弁自体の流量特性に変化はないものの、システムの調整可能範囲は**狭まり、調節弁が動作中に制御できる流量の変動範囲も**縮小し、場合によっては調節機能を果たせなくなる。調節弁が良好な調節性能を発揮するためには、一般的にバイパス流量は総流量の20％を超えない方が良いとされています。流量特性の選択 3 流量特性の選択方法： ①数学的計算による分析法； ②実際の工事で得られた経験則による方法。分析手法は複雑で時間もかかるため、一般的な工事では経験則が用いられる。具体的には、以下のいくつかの観点から検討すべきである：(1)自動調節システムの調節品質の観点から 自動制御理論における特性補償の原理によれば、システムが良好な調節品質を維持するためには、オープンループ全体の増幅係数と各要素の増幅係数の積が一定であることが望ましい。このように、バルブの特性を適切に選択し、バルブの増幅係数の変化によって対象の増幅係数の変化を補償することで、システム全体の増幅係数を一定に保つことができる。 (2)配管システムの圧力損失の変化に応じて選択する 調節弁の圧力損失比は、その調節弁が制御できる最大流量に対応する弁前後の圧力差Δp1mとシステムの圧力差Δpとの比率として定義される。調節弁の流量特性は圧力損失比Sと密接な関係があり、表2に示す通りである。配管システムの圧力損失に基づく調節弁特性表 表2 配管システムの圧力損失比S 1-0.6 0.6-0.3 0.3-0 実際の動作流量特性 直線 等パーセンテージ直線 等パーセンテージ 調節不適切 選択される流量特性 直線 等パーセンテージ直線 等パーセンテージ (3)負荷変動の状況からの分析 直線弁は開度が小さいときに流量の変化が大きく、調節が過敏で振動しやすい。一方、開度が大きいときには調節効果が弱くなり、調節が遅れたり不十分になったりする。したがって、圧力降下比Sが小さく、負荷の変動が大きい場合には、直線弁を使用することは適していない。等比率バルブは、閉じる方向に近づくと動作がゆっくりと滑らかになり、完全に開く方向に近づくと増幅係数が大きくなって動作が敏感かつ効果的になるため、負荷の変動幅が大きい場面に適しています。速開特性バルブは、ストロークが短いときに流量が大きくなり、ストロークが増えるにつれて流量は急速に最大値に達します。一般的には2段階調節やプログラム制御の場面で使用されます。 (4)調節対象の特性に応じて選択する。一般的に、自己バランス機能を持つ調節対象であれば等比率流量特性の調節弁を選ぶことができ、自己バランス機能を持たない調節対象では直線流量特性の調節弁を選ぶ。調節弁の口径選定 4 調節弁の口径を選定する目的は、バルブと配管を組み合わせることで、適切な線形特性を実現し、システムの調整を効果的に行えるようにするためです。調節弁の口径は、プロセスの要求する流量に基づいて決定されます。与えられたプロセス条件から調節弁の流量を計算し、その流量に応じて調節弁の口径を選定します。 調節バルブの口径を適切に選定するためには、その流量特性を理解しておく必要がある。流通能力とは、調節弁が全開の状態で、弁の両端の圧力差が9.81 ×104 Pa、流体の密度が1 g/cm3のときに、1時間あたりに調節弁を通過する流量の値を指します。調節弁の流量能力は、バルブやバルブ口径を適切に選定するための重要なパラメータです。調節弁の流量能力を計算し、メーカーが示す技術仕様と比較することで、バルブ口径のサイズを決定します。自動制御システムにおいて、水は調節バルブを流れる最も一般的でよく見られる媒体です。そのため、ここでは水を例にして調節バルブの流量能力について説明します。 実際の工事において、バルブの口径は段階的に分かれており、C値も通常は連続した値ではありません（式で計算されるC値は連続しています）。異なるメーカーの同種製品には、異なるC値と口径の対応表があります。期待されるC値を算出した後、製造元の対応する製品データシートを参照して、必要なバルブの口径を決定できます。バルブの口径を選定する際の原則は、できるだけ計算結果に近いか、それ以上でなければならず、計算結果より小さくてはならない。 5 注意事項 (1)調節バルブを接続管の直径に応じて直接選定するのは不合理である。なぜなら、バルブの調節性能は接続管の流速や直径とは関係がなく、水の抵抗および流量のみに関係しているからだ。つまり、システムの機器が決定されれば、理論上そのシステムに適したバルブには理想的な口径が一つだけあり、複数の選択肢は存在しない。 (2)バルブの選定において、選ばれたバルブの口径が小さすぎると、一方ではシステムの抵抗が増大し、バルブが100％開いてもシステムが所定の容量要件を満たせず、深刻な結果を招くことになる。他方、十分な流量を維持するためにバルブはシステムからより大きな圧力差を必要とし、ポンプの負荷が増える。また、バルブは損傷しやすくなり、その寿命に大きな影響を与える。 (3)バルブの選定において、口径を過大にすると、工事費用が増加するだけでなく、バルブが常に低い稼働率で動作することになり、調整精度が低下して制御性能が悪化します。さらに、システムが衝撃や振動を受けやすくなります。 (4)システムの制御品質を確保するためには、システムが許容する範囲内でより大きな圧力降下を得られるバルブの口径を選択し、運転中の圧力降下の変動値をできるだけ小さくするのが最善の方法である。バルブが完全に開いている状態での圧力損失が、ポンプ全体の圧力に占める割合が高ければ高いほど、バルブによる圧力損失の相対的な変化量は小さくなり、バルブの設置時の特性はその本来の特性により近づく。 (5)制御システムにおいて、調節弁は可能な限り一定の圧力降下条件下で動作すべきである。なぜなら、弁がコイルに適合するかどうかはその固有特性と流量係数に依存し、これらの弁のパラメータは一定の弁圧力降下によって決まるからである。 以上のことから、調節弁の設計を行う目的は、システム制御の品質要件を最大限に満たすことであり、これには調節弁の構成、分類、特性を明確に理解し、その上で適切な選定方法を把握することが求められる。また、実際のシステムに調節弁を設置する際には、全ての配管ループについて詳細な分析を行い、様々な要因を総合的に考慮する必要があります。このようにすることでのみ、調節バルブを正しく選定し、調節システムの制御品質を保証することができる。