調節弁知識大全

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この投稿は最終的にyunrunによって2019年7月22日00:40に編集されました。「調節弁知識大全」は日本の横河電機が提供しており、調節弁のアクチュエータ、バルブ本体、アクチュエータの補助装置、調節弁の動作原理、調節弁の流量特性、調節弁の流量係数の計算などに関する知識が盛り込まれており、調節弁を総合的に理解するのに大いに役立ちます。 調節弁知識大全yunrun.com.cn/tech/1346.html プロセス制御分野では、流量、圧力、温度、液面などのプロセス量を制御するための装置として、通常調節弁が使用されます。調節弁はアクチュエータとバルブ本体の2つの部分で構成されており、ポジショナー、電磁弁、昇圧器、速度制御器、ロックバルブなどの各種補助機器と組み合わせることで、多様な機能を実現することができます。 作動機構は、操作信号および駆動源がなくなった際の動作方向や流量特性に応じて、作動機構とバルブ本体にはさまざまな構造が存在するが、ここではその中でも代表的な構造についてのみ説明する。 調節弁のアクチュエータには、空気式、電動式、電液連動式があり、空気式装置はさらにダイヤフラム式とシリンダー式に分かれる。操作信号と駆動源が消失した際の動作の違いにより、アクチュエータには正方向型、逆方向型、無方向型、保持型がある。正方向タイプは操作信号と駆動源がなくなるとバルブ軸が上昇し、逆方向タイプは下降する。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240245313786.png http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240246030348.png 実行機構の構造原理図 バルブ本体 バルブ本体の種類は駆動装置の種類よりも多く、バルブのタイプ、口径、流体の条件に応じて選択される。角形バルブ、三通バルブ、ダイアフラムバルブ、ゲートバルブ、バタフライバルブ、ボールバルブ、偏心回転バルブなどがあります。 球形バルブが最も一般的なタイプです。気圧制御信号をアクチュエータ、すなわちシリンダ式またはダイヤフラム式の空気圧アクチュエータに送信し、バルブロッドを上下に動かす。 下図のように、バルブロッドが上下に動くことで、バルブプラグとバルブシートの間の隙間を変え、それによって流量を変化させることができます。 バルブの種類と特徴 種類 特徴および用途 シングルシート球形バルブ 制御性能が高く、バルブを完全に閉じたときの漏れが少ない。スラリーや強腐食性の流体を除き、水、蒸気、ガスなどに広く使用できる。 二重座球形バルブは、駆動装置の負担を軽減するために、2組のシートとバルブプランジャーが連動する構造を採用しています。バルブを完全に閉じたときの漏れが大きく、面間距離も大きいため、その使用には一定の制限がある。 計装弁は、シリンダ内のバルブプラグを可動式構造に改造し、圧力差が過大になってバルブプラグが振動するのを防ぎます。しかし、シリンダーとバルブプラグの間に繊維やゴミが挟まる可能性があることに注意が必要です。 バタフライバルブは、炉内圧やガスの燃焼など、低い圧力差の制御に使用されます。蒸気や中低圧の状況に適した高性能バタフライバルブもあります。 ボールバルブは、配管の切り替えなどのON/OFF操作に多く使用されます。自動切り替えを実現するために、既存の手動バルブをボールバルブに交換することもある。 偏心回転バルブは容量が大きく、スラリーに使用できます。バルブシートはボウル状で、流体の偏圧の影響を受けやすく、適用範囲が限られている。 サンダースバルブは腐食性の流体やスラリーに適していますが、耐久性は低いです。 アクチュエータ補助機器 アクチュエータ補助機器には、一般的に空気式バルブポジショナ、電気・空気式バルブポジショナ、電動バルブポジショナ、電磁弁、昇圧器、速度コントローラ、ロックバルブなどがある。以下に簡単に紹介します。 1、空気式バルブポジショナー ポジショナーとは、駆動装置に取り付けられ、バルブの開度を調節器の信号と一致させる装置です。主に、流体圧力の変動などの外部力の影響を受けずに、駆動装置の速度を上げるために使用されます。調整器とバルブが分離された場合の応答改善などにも、空気圧式の計器が使用される。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240126175973.png 空気式バルブポジショナーの原理 2、電気式バルブポジショナー 電気式バルブポジショナーとは、電子制御信号である4-20mA DCを空気圧信号に変換し、バルブの開度を調整する装置です。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240127128473.png 電気式バルブポジショナーの原理 3．電動バルブポジショナー 電動バルブポジショナーは、電動バルブと一緒に使用されるものです。駆動部に可逆モーターを搭載し、可変抵抗器（ポテンショメータ）を介してバルブの開度を電圧信号として電動バルブポジショナーにフィードバックする。比較器Q1、Q2およびリレーR1、R2を用いて可逆モーターの正転、停止、または逆転を制御し、調整器信号Viと開度信号Vfを一致させる。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240128353630.png 電動バルブ位置決め器の原理 4、電磁弁 電磁弁は空気回路のオン・オフ制御を行う役割を果たす。電磁弁には2方向電磁弁、3方向電磁弁、4方向電磁弁などがあり、流体を直接制御するのと比べて、バルブの駆動回路や空気圧信号の切り替えなどによく使用されます。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240129535817.png 電磁弁の原理 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240130441755.png 電磁弁の応用例 5、昇圧器 調節弁の空気容量が大きい場合や、空気圧信号の伝送距離が長い場合には、昇圧器を使用して応答速度を向上させる。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240131358005.png 電圧上昇装置の原理と構造 6、速度制御器 速度制御器とは、調整器の信号と駆動部品の間に設置され、調整器の信号を遅らせる装置です。水槌現象を防ぐためにも使用できます。可変孔板/調節はニードルバルブで構成され、遅延時間は所望値に設定される。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240132373317.png 速度コントローラの原理構造 7、ロックバルブ ロックバルブとは、停電や空気圧の供給が途絶えた際にも、調節弁の開度を維持できる小型のバルブです。設計時には、停電が復旧したり供給圧力が正常に戻った際にロックバルブが元の状態に戻るかどうかを考慮し、シーケンスやロックバルブのタイプを選定する。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240140373473.png 鎖止弁と適用例 調節弁の流量特性 調節弁の流量特性には、直線型、等比率型、速開型、放物線型の4種類がある。当サイトの「調節弁の流量特性選定方法」の記事に詳しく記載されているため、ここでは繰り返しません。 実際の制御プロセスに設置されると、バルブの圧力差は流量の変化に伴って変動します。つまり、流量が少ないときは配管部分の圧力損失が小さくなり、バルブの圧力差が大きくなるが、流量が多いときはバルブの圧力差が小さくなる。この固有特性とは異なるバルブ特性を、有効な流量特性と呼ぶ。 迅速起動機能を持つ内部バルブは円盤状で、主に開閉動作に使用されます。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240153503473.png 調節弁のバルブコアの曲面形状　バルブの流量制御特性は、バルブ自体の流量特性と、配管やポンプなどの組み合わせによって決まります。各制御対象やシステム内でのバルブによる圧力損失の割合に応じて、下表から適切なものを選択します。 制御対象　システム内におけるバルブの圧力損失の割合　バルブの流量特性　流量制御または液面制御　40％以下　等比率　流量制御または液面制御　40％以上　線形　圧力制御または温度制御　50％以下　等比率　圧力制御または温度制御　50％以上　線形　配管の圧力損失は流量の2乗に比例して増加するため、バルブ本体の特性が単純な線形変化を示す場合、流量が少ないときはバルブの圧力差が大きくなり、わずかにバルブを開けるだけで流量が大幅に増える。一方、流量が多いときはバルブの圧力差が小さくなり、流量はバルブの開度と正比例しない。このため、配管やポンプの特性を考慮し、流量の大きさに関係なく、バルブの開度にのみ比例して流量を制御することが、等パーセント特性を設計する目的である。 http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240155381286.png 配管システムと圧力損失 調整弁の動作 駆動装置とバルブ本体の組み合わせによって、調整弁の動作を選択できる。 駆動装置とバルブ本体の組み合わせおよびバルブの動作（シングルシートバルブの例） バルブの動作には、正方向動作、逆方向動作、保持型動作の3つの方式がある。ダイヤフラム式やシリンダー式などの空気圧駆動の正動作方式は、空気圧信号の増加によってバルブを閉じる方法で、「AIR TO CLOSE」とも呼ばれます。逆動作方式とは、空気圧信号を増加させることでバルブを開く方法で、「AIR TO OPEN」または「AIRLESS TO CLOSE」とも呼ばれます。電気操作信号はポジショナーを介して空気圧信号に変換できる。操作信号が停止したり、空気供給が途絶えたり停電が発生した場合は、プログラムの安全性と合理性を考慮して、バルブを閉じるか開くかを選択してください。 例えば、水と酸を混合するプロセスでバルブによって酸の量を制御している場合、電気信号線が切断されたり、空気信号配管から漏れが発生したり、空気供給源が途絶えたり、停電が起きたりした際には、酸制御バルブを閉じることが安全かつ合理的な対応であり、逆動作バルブを使用すべきである。 調節弁の口径選定は、流体の特性や使用条件に基づき、計算によって最適な口径を選び出し、必要な流量の容量係数Cv値を算出します。そして、求められる弁口径と弁の容量係数Cv値を照らし合わせて選定します。 1、Cv値の定義　バルブの圧力差が1psi（0.07kg/cm2＝7kPa）で、常温の水が毎分1ガロン（3.785リットル）の速度で流れるとき、流量容量係数Cvの値を1と定義する。 2、Cv値の計算 ①液体のCv値の計算 ②気体のCv値の計算 ③蒸気のCv値の計算 3、SI単位系における定径方式 Av値、Cv値の定義。しかし、現在広く使われているのはCv値です。 4、バルブのCv値の計算方法 Cv値には、要求CvとバルブCvの2種類がある。Cvはバルブの圧力差と流体の条件に基づいて計算することが求められる。バルブのCvとは、バルブの流量能力を指し、バルブの形状と口径によって決まります。選択弁の口径は、要求されるCvよりもわずかに大きいCv値を持つ弁を選ぶ必要があります。Cvについては正確な計算を行う必要はない。 ①Cvの計算　流体が液体の場合　②バルブのCv値の簡易推定法　1インチ球形バルブのCv値は約10である。Cv値はバルブの口径の倍数の二乗に応じて変動するため、2インチのCv値は約40です。 ③計算例　蛇口をひねって手を洗うときの流量は約5L/分（0.3m³/時）で、水圧は0.05MPa程度です。平方根を取ると約0.22となるので、直径13mmのバルブのCv値は約3、直径8mmのバルブのCv値は約1となり、十分な水量が供給されることが保証されます。水道管には通常、13mm（1/2インチ）管と8mm（1/3インチ）管が使用されており、これがバランスの取れた適切な口径であることがわかる。 記事出典：「昌晖計器網」”