In ’t Procesveld is heel wat te meten, maar ook te regelen. Hierbij zijn proces regelkleppen een onmisbaar hulpmiddel. Onder proces regelkleppen verstaan we de regelklep die een variabele restrictie of doorlaatopening heeft en die op afstand proportioneel bestuurbaar is. Gemonteerd in een leidingsysteem is de regelklep meestal opgenomen in een regelkring die druk, temperatuur, flow, niveau of een combinatie van grootheden controleert in het proces.
Proces regelkleppen moeten we niet verwarren met al dan niet op afstand bedienbare afsluiters. Bij afsluiters gaat het meestal om opendicht controle waarbij een lekdichte afsluiting wordt verlangd. Dit in tegenstelling tot de procesregelklep, die elke positie tussen 0-100% van zijn ‘travel’ kan innemen. In principe kan men van een regelklep ook niet verwachten dat hij lekdicht afsluit in gesloten stand. Soms wordt de procesregelklep ten onrechte ook aangeduid als regelventiel. Bij regelventielen gaat het echter om zelfregelende apparaten waarbij geen hulpenergie van buitenaf nodig is, zoals instrumentenlucht. Bij ventielen is het te regelen medium de energiebron.
In de 17e eeuw werden in sommige korenmolens centrifugaal regulateurs gebruikt om de afstand tussen de twee maalstenen te regelen. In 1788 heeft James Watt, geholpen door Matthew Boulton, de centrifugaal regulateur toegepast op stoommachines. Het ging hier om een werkelijke regelkring, waarbij via een stangenstelsel een regelklep werd bediend in de stoomtoevoer. De proces regelklep zoals wij die vandaag kennen zal in de dertiger jaren van de vorige eeuw zijn intrede hebben gedaan. Pas in 1947 werd door de ISA de eerste norm voor proces regelkleppen uitgegeven.
De procesregelklep is vaak het stiefkindje van de regelkring. Het ding zit altijd buiten in ’t veld, is meestal zwaar, soms vies en altijd weerbarstig als het gaat om afstellen of inregelen. Maar als corrigerend orgaan, helaas onmisbaar.
De keuze in proces regelkleppen is enorm en hierbij bestaan veel valkuilen. De regelklep is zowel onderdeel van de instrumentatie als van het leidingnetwerk, wat extra ‘uitdagingen’ inhoudt. Een volledige berekening die zowel rekening houdt met piping, proces en instrumentatieeisen, is noodzakelijk en altijd een karwei voor specialisten.
Regelkleppen bestaan in principe uit drie hoofdcomponenten:
De actuator van de procesregelklep zal over het algemeen pneumatisch worden aangedreven. Hydraulisch en elektrisch aangedreven actuators worden ook wel toegepast op die plaatsten waar pneumatiek economisch gezien niet haalbaar is. Ik zal mij beperken tot de pneumatisch aangedreven actuators omdat veel principes vergelijkbaar zijn.
De belangrijkste eisen die aan de actuator gesteld moeten worden zijn: Voldoende krachtig om de klep te bewegen, ook als er tegendruk van het medium en wrijving in de overbrenging optreedt. (Bij draaiende beweging zoals bij vlinderkleppen ook wel torque genoemd.) Meestal wordt hier na berekening van de maximaal vereiste kracht een veiligheidsmarge bij opgeteld van minstens 50%.
Bij niveauof temperatuurregeling is een zeer snelle reactie wellicht geen vereiste, maar bij de regeling van druk kan een snelle reactie van de proces regelklep wel degelijk noodzakelijk zijn en voorkomen dat u alweer die PSV (Pressure Safety Valve) hoort fluiten of zelfs een breekplaat moet vervangen!
Pneumatische actuators van proces regelkleppen hebben een afblaas of ventopening. Zorg dat deze niet geblokkeerd wordt door vuil of ijsvorming. Vervang indien nodig de van de fabriek meegeleverde ‘ventcap’ door een koppeling met hieraan een stukje schuin afgezaagde en naar beneden gebogen tubing van voldoende diameter. Voor de veiligheid van uw proces is het belangrijk dat de klep bij uitval van instrumentenlucht of stuursignaal naar een safe positie gaat. Dit kan zijn fail-close, fail-open of fail-last.
Hoewel dit een passief stuk ‘ijzer’ is, moet de mechanische sterkte niet alleen overeenkomen met de ontwikkelde krachten in de regelkleppen, maar ook de eventuele trillingen en vibraties die het proces ontwikkelt kunnen weerstaan.
Verder is de yoke vaak de montageplek voor klepstandsteller, klepstandmelder, eindschakelaars en dergelijke. De yoke zorgt ook voor de geleiding van de actuatorstem of -steel (de verbinding tussen klephuis en membraan of diafragma) en opsluiting van de eventuele veer. Deze veer moet een bepaalde voorspanning hebben zodat een juiste balans ontstaat tussen de kracht van het membraan en de dynamische krachten op de klepsteel door het proces. Wanneer dit niet het geval is zal de klep moeite hebben om een eenmaal ingenomen stand bij gelijkblijvend ingangssignaal vast te houden. Tevens moet de veer er voor zorgen dat de klep met voldoende kracht op de zitting gedrukt wordt.
Klepstandstellers en klepstandmelders (al dan niet gecombineerd in één apparaat) zijn er in vele soorten, zoals:
Al deze klepstandstellers hebben een aantal eigenschappen gemeen: Zij sturen uiteindelijk de gewenste luchtdruk via een I/P convertor en aan de hand van de gewenste positie van de klep, naar de actuator. Dit stelt bijzondere eisen aan de kwaliteit van de instrumentenlucht. Deze moet zeer schoon, droog en van de juiste druk zijn. De relatief kleine doorlaatkanaaltjes in de klepstandsteller zullen anders snel vervuild of verstopt zijn. De overbrenging tussen klepsteel en klepstandsteller is mechanisch.
Alle mechanische overbrengingen in het ’t procesveld hebben van tijd tot tijd aandacht nodig. Dus controleer af en toe de gangbaarheid van alle regelkleppen. Klepstandmelders (position transmitter) zijn in feite omgekeerd werkende klepstandstellers (valve positioner). Uiteraard gelden hier dezelfde eisen die men moet stellen aan de klepstandsteller.
Verder kan men aan de ‘yoke’ nog eindschakelaars bevestigen, die bijvoorbeeld de volledig open of dicht stand van de klep signaleert, middels een ‘hard’ contact. Al doende begint het aardig vol te worden aan die ‘yoke’, waarbij al deze apparatuur zijn eigen mechanische verbinding moet hebben met de klepsteel. Hier komen nogal wat storingen uit voort omdat een palletje is verbogen, een stangetje niet goed volgt et cetera. Zorg er hier in eerste instantie voor dat de overbrengingen degelijk zijn uitgevoerd en gemonteerd. Verder is regelmatige controle geen overbodige luxe.
Alle klepstandstellers (zowel pneumatische als elektronische) hebben de mogelijkheid om een regelkarakteristiek in te stellen (zoals lineair, equiprocentueel et cetera). Vergeet hierbij niet dat je ook de juiste klep of plug in het klephuis kiest aan de hand van de gewenste karakteristiek. Verder heeft uw ‘controller’ in bijvoorbeeld het DCS ook nog de mogelijkheid om regelkarakteristieken in te stellen. Genoeg valkuilen dus om diverse regelkarakteristieken tegen elkaar in te laten werken.
Bij de actuator is reeds aangegeven wat de faalposities van de klep kunnen zijn bij het wegvallen van de instrumentenlucht. Veel elektronische klepstandstellers voegen daar nog de mogelijkheid aan toe om de klep een vooraf bepaalde stand in te laten nemen bij het wegvallen van het elektronische stuursignaal (4-20 mA). Hoewel dit een handig hulpmiddeltje is om bij een zeer korte storing het proces niet onmiddellijk te laten stagneren, is het bepaald niet bedoeld om te gebruiken als fail-safe positie!
Het eventueel gemonteerde handwiel op of aan de yoke verdient aandacht. Deze handwielen die meestal bedoeld zijn als mechanische eindstop zodat de klep niet volledig sluit of opent, dienen zorgvuldig geborgd te zijn en eventueel voorzien van een slot. Simpele maatregelen die een hoop problemen en onveilige toestanden kunnen voorkomen.
Het klephuis of valve body van regelkleppen bestaat in feite uit twee hoofdcomponenten:
Door de bonnet worden de klepsteel, klep en zitting opgesloten in het klephuis. Deze bonnet lijkt net zoals het klephuis zelf, een passief stuk ijzer. Dit is echter maar ten dele waar aangezien de bonnet onder andere een pakking, pakkingdrukker en veer heeft om de klepsteel gasen vloeistofdicht af te sluiten. Echter, de klepsteel moet wel vrij op en neer kunnen bewegen! Dit blijkt maar al te vaak een lastige opgave. Of de zaak is hartstikke gasen vloeistofdicht, maar de klep heeft door het ‘knellen’ van de klepsteel een hysterese waar je ‘u’ tegen zegt (terwijl de hysterese en dode band samen het liefst niet meer moeten zijn dan 1 à 2%), of de klep loopt wel lekker maar de pakking lekt een ‘beetje’ wat gevaar op kan leveren voor mens en milieu!
Kortom, bij twijfel, vervang de pakking, want bij een lekkage de pakkingdrukker steeds vaster draaien, lost het probleem niet op. Let hierbij ook op eventuele slijtage van de klepsteel.
Het klep of valve bodyhuis in proces regelkleppen is zowel een instrumentatieonderdeel als een onderdeel van het leidingnetwerk. Dit creëert zogezegd uitdagingen. Allereerst zijn er diverse uitvoeringen van het klephuis: recht, haaks en drieweg, elk met hun specifieke toepassingen. Maak daarna de keuze uit de diverse klephuismaterialen en eventuele flensverbindingen. Dit zal moeten ‘matchen’ met het medium en met de rest van het leidingwerk waaraan wellicht speciale eisen (zoals bijvoorbeeld van het American Petroleum Institute API) zijn gesteld in verband met hoge druk of temperatuur.
De grootste ‘uitdaging’ is het kiezen van de juiste regelklep en klepzitting. Een aantal keuzes:
En als u dan dacht dat u er was komt de vraag:
Verder moet u bij proces regelkleppen rekening houden met stroomsterkte, drukverschil, soortelijke massa, klepconstante.
In het proces zal, wanneer de klepopening groter wordt, het drukverschil afnemen, afhankelijk van de verhouding tussen de stroomsterkte en de leidingdiameter. Ook kan het drukverschil variëren door veranderingen in het proces. Aangezien het drukverschil onder het wortelteken staat, zal de stromingsverandering ten gevolge van de klepkarakteristiek niet op dezelfde wijze plaatshebben als de klepstandverandering.
Kortom, een heel scala aan parameters en afwegingen passeren de revue alvorens u een volledige procesregelklep heeft gekozen en geïnstalleerd. De IEC 60534 is hierbij in feite een onmisbaar document. Hierin staat niet alleen beschreven hoe u de regelklepcoëfficiënt kunt uitrekenen, maar staan ook zaken als de maximale geluidsproductie van 85 dB (A) op 1 meter, cavitatie en flashing, lekdichtheid klasse et cetera.
Proces regelkleppen zullen, nadat de juiste keuze is gemaakt, een relatief onopvallend bestaan leiden. Echter, meestal zijn regelkleppen een compromis tussen diverse afwegingen. Als een regelklep bijvoorbeeld gebruikt wordt om middels een grote drukval een aanzienlijke temperatuurverlaging (zoals bij cryogene installaties) te bewerkstelligen, dan is erosie van de plug en zitting haast onvermijdelijk. Hier bestaat het compromis uit vereiste functionaliteit en hogere onderhoudskosten. Tegelijkertijd kan zo’n aanzienlijke temperatuurverlaging onder andere metallurgisch gezien voor problemen zorgen in uw leidingsysteem. Hier kan thermische isolatie gecombineerd met heat-tracing wellicht een oplossing bieden. Isolatie kan ook nodig zijn om het door de regelklep geproduceerde geluid in toom te houden, hoewel bepaalde ‘trims’ het geluid al aardig weten te reduceren.
Hoewel schijnbaar futiel, zijn de diverse pakkingen bij het onderhoud van een procesregelklep belangrijk. Niet alleen voor een goede afdichting van leidingwerk, klepzitting, klephuis en bonnet, maar ook voor het binnen de toleranties houden van hysterese en dode band. Alleen het juiste pakkingmateriaal in de pakkingbus op de yoke zorgt voor een goede afdichting en lage frictie van de klepsteel. Procesregelkleppen kunnen soms flink uit de kluiten gewassen zijn. Vroeg of laat zal een regelklep voor inspectie of vervanging gedemonteerd worden. Bereikbaarheid en ‘handling’ mogelijkheden zijn dan belangrijk. Hopelijk is hiermee rekening gehouden bij het plantontwerp.
De ontwikkelingen bij procesregelkleppen zijn tweeledig. Ten eerste het klephuis. Hier is door de toepassing van materialen als Monel, Hasteloy, Duplex, Stellite, Colmonoy, Inconel, Nitronic en Tungsten carbide de levensduur van klep, klepzitting en klephuis, belangrijk te verlengen.
Ten tweede de ‘accessoires’ zoals intelligente klepstandstellers. Hierbij zorgt de klepstandsteller niet alleen voor het innemen en behouden van de gewenste positie van de klep maar deze bewaakt tevens de conditie en performance van de klep. De informatie en diagnose wordt per Highway Addressable Remote Transducer (HART) of Fieldbus signaal verstuurd naar uw pc. Procesregelkleppen zijn een potentieel lek in de leiding. Aangezien milieu en veiligheidseisen aangescherpt worden, zal de verkrijgbaarheid van kleppen – die voldoen aan SIL en emissie-eisen – verder toenemen.
Ik hoop dat u na het lezen van dit artikel, wat vaker ‘twijfelt’ aan het correct functioneren van uw regelkring en in dit geval de proces regelklep. Of deze twijfel terecht was, weet u pas na een daadwerkelijke controle.
Lees ook:
Onder proces regelkleppen verstaan we de regelklep die een variabele restrictie of doorlaatopening heeft en die op afstand proportioneel bestuurbaar is. Gemonteerd in een leidingsysteem is de regelklep meestal opgenomen in een regelkring die druk, temperatuur, flow, niveau of een combinatie van grootheden controleert in het proces.
1. De motor of actuator
2. Het koppelstuk of yoke
3. Het klephuis of valve body
Het koppelstuk of de yoke is vaak de montageplek voor een klepstandsteller, klepstandmelder of eindschakelaars. De yoke zorgt ook voor de geleiding van de actuatorstem of -steel (de verbinding tussen klephuis en membraan of diafragma) en opsluiting van de eventuele veer.
IndustrieVandaag is een onafhankelijk platform met het laatste nieuws over de procesindustrie, industrial processing, productie industrie, maakindustrie en elektronica industrie.
Neem contact met ons op:
Tel +31 (0)23 737 07 63
Email via contactpagina
