Wat is er aan de hand?

In de chemische industrie worden regelkleppen veel gebruikt, en voor de trilling van de regelklep hebben sommige mensen niet veel begrip.

Trilling van de regelklep verwijst naar het fenomeen van snel sluiten en openen van de klep tijdens het gebruik, wat aangeeft dat de regelklep niet in staat is om stabiel in een geschikte positie te blijven om de beoogde procesomstandigheden te handhaven.

Deze toestand veroorzaakt dat de procesvariabele in een gesloten-lussysteem fluctueert rond zijn setpoint.

• Problemen met de controller: Een onjuist ingestelde controller of een defect aan de interne componenten kan leiden tot een onstabiel regelsignaal, wat op zijn beurt de klep kan laten trillen.
• Defecten aan componenten van de regelklep: Slijtage of beschadiging van specifieke componenten van de klep (zoals schuiven, zittingen of actuatoren) kan ook leiden tot trillingsverschijnselen.
• Invloed van de gebruikte methode: Soms kan, zelfs als de hardware zelf niet defect is, een ongeschikte gebruikte methode of procesontwerp trillingen veroorzaken.

Aanhoudende kleptrillingen verminderen niet alleen de prestaties van de afdichting van de pakking, maar kunnen ook leiden tot aanzienlijke afwijkingen van het gewenste setpoint, wat de productiviteit en productkwaliteit beïnvloedt. Daarom is het cruciaal om de hoofdoorzaak van trillingen nauwkeurig te identificeren om de nodige corrigerende maatregelen te implementeren om het trillingsprobleem op te lossen en de algehele prestaties van de regellus te verbeteren.

Dit artikel gaat dieper in op de verschillende potentiële factoren die kleptrillingen veroorzaken en hoe ze worden gediagnosticeerd, met als doel lezers te helpen dit veelvoorkomende maar complexe industriële regelprobleem beter te begrijpen en aan te pakken. Door deze informatie te begrijpen, kunnen ingenieurs en technici hun regelsystemen effectiever onderhouden en optimaliseren om de soepele werking van productieprocessen te garanderen.

1. Probleem met de regellus

   Schakel de controllermodus van automatisch naar handmatig en evalueer de respons op de gebruikelijke manier om te bepalen of het probleem zich binnen de lus bevindt.

   Als de oscillatie stopt, is de lus defect. Deze problemen treden meestal op in niet-lineaire processen. Door hysteresiseffecten kan er ook 'jagen' optreden. Het resultaat is dat de proceslus traag reageert.

   De controller is niet geconfigureerd om dit mechanische probleem op te lossen. Vastzittende regelkleppen die worden veroorzaakt door lusproblemen kunnen worden opgelost door de controller correct af te stellen. Als dit niet in de handleiding staat, kan dit te wijten zijn aan andere oorzaken, zoals werkelijke verschillen in procesvariabelen, klepgrootte, enz.

2. Grootte van de regelklep

   De regelbaarheid van de klep wordt sterk beïnvloed door de grootte van de regelklep. De debietcoëfficiënt (afgekort als Cv) is de hoeveelheid water die door een volledig geopende klep kan stromen bij 600°F met een drukval van 1 psi.

   De Cv wordt bepaald door het klepontwerp en blijft constant. Zelfs regelkleppen van dezelfde grootte kunnen verschillende Cv-waarden hebben als de behuizingsstijl of de interne onderdelen van de klep verschillen. Het probleem van de dimensionering van de regelklep wordt duidelijk wanneer de totale procesversterking laag of zeer hoog is. De afmetingen van de regelklep worden vaak geselecteerd op basis van de behoefte aan toekomstige debiettoenames, wat ertoe kan leiden dat de geselecteerde klepgrootte iets groter is dan de huidige toepassingsvereisten, wat de regelnauwkeurigheid kan beïnvloeden.

   Klep die te groot zijn, kunnen leiden tot overmatig openen en sluiten, waardoor vastlopen, schade aan de pakking en onnauwkeurige regeling ontstaan. Omgekeerd vereisen kleppen die te klein zijn een grote drukval om een goede stroming te behouden en kunnen ze de nodige capaciteit missen, waardoor de pompdruk toeneemt en het risico op cavitatie toeneemt. Cavitatie en flitsen zijn de belangrijkste problemen die schade veroorzaken aan de interne onderdelen van de regelklep, wat op zijn beurt leidt tot schommelingen in de procesregeling.

3. Positieregelaar van de regelklep

   Om de actuator van de regelklep in de evenwichtspositie te houden die nodig is om de procesvariabelen te regelen, wordt de kleppositieregelaar gerealiseerd door de luchtdruk te regelen.

   Het heeft een schuif om de luchtstroom te regelen, maar langdurig gebruik of stofdeeltjes in de lucht kunnen ervoor zorgen dat de schuif verslijt, waardoor deze in een bepaalde positie vast komt te zitten, wat resulteert in een abnormaal hoge luchtdruk. Zodra de luchtdruk stijgt, komt de schuif los van de vastzittende positie, waardoor een overshoot wordt veroorzaakt die resulteert in een onstabiele kleppositie, verlies van effectieve regeling van de klep en afbuiging.

   De kleppositieregelaar kan worden blootgesteld aan hoge temperaturen als gevolg van stralingswarmte van de omringende procestanks, wat ook een factor kan zijn bij het veroorzaken van het vastlopen van de regelklep, wat mogelijk kan leiden tot schade aan de afdichtingen en leidingen van de positieschakelaar. De positieschakelaar maakt gebruik van een feedbackkoppeling om de werkelijke positie van de klep te detecteren om de output aan te passen.

   Als de feedbackkoppeling faalt, bijvoorbeeld door vloeistofkrachten of wrijving, werkt de klep mogelijk niet correct. Moderne intelligente positieschakelaars hebben de unieke mogelijkheid om dergelijke afwijkingen te herkennen.

4. Statische wrijving tijdens klepbeweging

   Wanneer een klep statische wrijving ondervindt (d.w.z. vastloopt), stopt deze met bewegen in een specifieke positie en heeft deze extra kracht nodig om opnieuw te starten. De oorzaak van dit fenomeen kan verharde pakking of viskeuze stroming in de schuif zijn.

   Wanneer de uitgeoefende kracht voldoende is om het punt van vastlopen te overwinnen, beweegt de klep in de overshootpositie, waardoor de procesvariabele de setpoint overschrijdt. Deze stalling kan worden waargenomen door de relatie tussen de controlleruitgang en de procesvariabele te bewaken.

   De klepactuator moet correct worden gedimensioneerd en het koppel op de pakking moet binnen acceptabele grenzen liggen om vastlopen te voorkomen.

5. Hardwaredefecten

   Bovendien kan slijtage in de schuif ervoor zorgen dat de klep vastloopt, waardoor de klep niet volledig kan sluiten. Schade aan de schuif kan ervoor zorgen dat een regelklep de controle verliest in het hoge werkbereik.

   In regelkleppen wordt pakking gebruikt om te voorkomen dat procesmedia uit de klepbehuizing lekken. Indien beschadigd, kan dit leiden tot lekkage bij de kap, wat de veiligheid van de werkomgeving in gevaar brengt. Lekken in de klepactuator zijn een andere factor die kan leiden tot 'jagen' van de klep.

   De klepsteel wordt in eerste instantie nauwkeurig gepositioneerd door de kleppositieregelaar, maar door lekkage blijft de steel bewegen, waardoor de positieschakelaar de output herhaaldelijk moet aanpassen, wat resulteert in een oneindige zoektocht naar de steelpositie. Dit is een van de veelvoorkomende verschijnselen van de klep die achterblijft voor regelkleppen onder stabiele regelsignalen.

Lusproblemen of andere invloeden kunnen ervoor zorgen dat regelkleppen oscilleren. Bepaal de bron van het probleem door de controller naar de handmatige modus te schakelen en te kijken of de oscillatie stopt. Als de oscillatie stopt, geeft dit aan dat het probleem te wijten is aan een probleem in de lus zelf, dat kan worden opgelost met de juiste aanpassingen.

Interne oscillaties kunnen worden veroorzaakt door onjuiste afstelling of een storing in de machine. Als de klep zich nog steeds onvoorspelbaar gedraagt in de handmatige modus, kan het probleem afkomstig zijn van een beschadigde klepconstructie of een verandering in procesparameters.

Vastzitten en overshoot van de positieschakelaar zijn de meest voorkomende oorzaken van het vastzitten van de regelklep. De uitgangsrespons van de klep in aanwezigheid van een vastzittend fenomeen kan duidelijk worden aangetoond door middel van een grafiek.

Om te bepalen of het vastzitten van de regelklep te wijten is aan een onjuiste afstelling van de controller of een mechanische storing van de regelklep zelf, wordt aanbevolen om de controlleruitgang tijdelijk te omzeilen, constante druk op de actuator van de regelklep te leveren en de uitgangsrespons te observeren.

Lineaire potentiometers (positiesenders) worden gebruikt om de stambeweging te detecteren, terwijl drukomvormers (slimme positieschakelaars) worden gebruikt om de uitgangsdruk van de positieschakelaar te meten. Door deze sensoren aan te sluiten op een data-acquisitiesysteem en deze gegevens te visualiseren met behulp van bewakingssoftware (zoals Labview), kan een grafiek van de stambeweging versus de controlleruitgang worden gegenereerd.

De microcontroller ontvangt ingangssignalen van de controller-setpoint en druksensoren. Wanneer een drukafwijking van het setpoint wordt opgemerkt, wordt dit beschouwd als 'jagen' als deze afwijking meer dan vijf keer optreedt. In dit geval wordt de uitgang van de controller geïsoleerd en genereert de stroom-naar-druk-omvormer (I-P-omvormer) automatisch een druk die overeenkomt met het setpoint en levert deze als invoer aan de kleppositieschakelaar. Controleer de afwijking opnieuw na een paar seconden.

Als blijkt dat de afwijking is verminderd, zijn de regelklep en de accessoires niet defect.

Daarom is een speciale aanpassing van het controllercircuit vereist. Als de klep echter nog steeds defect is, kunnen de interne onderdelen beschadigd of vastzitten door de pakking. Met behulp van een grafiek met dode zones kan de exacte locatie van het vastzitten gemakkelijk worden gevonden.

In het geval van aanhoudend kloppen maar geen bewijs van een dode zone, treedt de trilling hoogstwaarschijnlijk op als gevolg van schade aan een component zoals de schuif. Deze methode kan ook helpen bepalen of het vastzittende fenomeen zich over het gehele regelbereik voordoet of beperkt is tot bepaalde specifieke bedrijfsintervallen.