Válvula de control

Una válvula de control es una válvula que se utiliza para controlar el flujo de fluido al variar el tamaño del paso de flujo según lo indique una señal de un controlador. Esto permite el control directo del caudal y el consiguiente control de las cantidades del proceso, como la presión, la temperatura y el nivel de líquido.

En la terminología de control automático, una válvula de control se denomina "elemento de control final".

Operación

La apertura o cierre de las válvulas de control automático se suele realizar mediante actuadores eléctricos, hidráulicos o neumáticos. Normalmente, con una válvula de modulación, que se puede configurar en cualquier posición entre completamente abierta y completamente cerrada, los posicionadores de válvula se utilizan para garantizar que la válvula alcance el grado de apertura deseado.

Las válvulas accionadas por aire se usan comúnmente debido a su simplicidad, ya que solo requieren un suministro de aire comprimido, mientras que las válvulas accionadas eléctricamente requieren cableado adicional y equipo de conmutación, y las válvulas accionadas hidráulicamente requieren líneas de suministro y retorno de alta presión para el fluido hidráulico.

Las señales de control neumático se basan tradicionalmente en un rango de presión de 0,2 a 1,0 bar (3 a 15 psi), o más comúnmente ahora, una señal eléctrica de 4 a 20 mA para la industria o 0 a 10 V para sistemas HVAC. El control eléctrico ahora a menudo incluye una señal de comunicación "inteligente" superpuesta a la corriente de control de 4 a 20 mA, de modo que el estado y la verificación de la posición de la válvula se pueden enviar al controlador. HART, Fieldbus Foundation y Profibus son los protocolos más comunes.

Una válvula de control automático consta de tres partes principales en las que cada parte existe en varios tipos y diseños:

• Actuador de válvula: que mueve el elemento modulador de la válvula, como la bola o la mariposa.
• Posicionador de válvula: que asegura que la válvula haya alcanzado el grado de apertura deseado. Esto supera los problemas de fricción y desgaste.
• Cuerpo de válvula: en el que está contenido el elemento modulador, un tapón, globo, bola o mariposa.

Acción de control

Tomando el ejemplo de una válvula operada por aire, hay dos acciones de control posibles:

• "Aire o corriente para abrir": la restricción de flujo disminuye con el aumento del valor de la señal de control.
• "Aire o corriente para cerrar": la restricción de flujo aumenta con el aumento del valor de la señal de control.

También puede haber fallas en los modos de seguridad:

• "Error de aire o señal de control para cerrar": si falla el aire comprimido al actuador, la válvula se cierra bajo la presión del resorte o por energía de respaldo.
• "Falta de aire o señal de control para abrir": si falla el aire comprimido al actuador, la válvula se abre bajo la presión del resorte o por energía de respaldo.

Los modos de operación de falla son requisitos de la especificación de control de proceso de falla a la seguridad de la planta. En el caso de agua de enfriamiento, puede fallar en abrirse, y en el caso de entregar un producto químico, puede fallar en cerrarse.

Posicionadores de válvula

La función fundamental de un posicionador es entregar aire presurizado al actuador de la válvula, de modo que la posición del vástago o eje de la válvula corresponda al punto de ajuste del sistema de control. Los posicionadores se usan típicamente cuando una válvula requiere una acción de estrangulamiento. Un posicionador requiere retroalimentación de posición del vástago o eje de la válvula y proporciona presión neumática al actuador para abrir y cerrar la válvula. El posicionador debe montarse sobre o cerca del conjunto de la válvula de control. Existen tres categorías principales de posicionadores, según el tipo de señal de control, la capacidad de diagnóstico y el protocolo de comunicación: neumáticos, analógicos y digitales.

Las unidades de procesamiento pueden utilizar la señalización de presión neumática como punto de ajuste de control para las válvulas de control. La presión normalmente se modula entre 20,7 y 103 kPa (3 a 15 psig) para mover la válvula de la posición de 0 a 100 %. En un posicionador neumático común, la posición del vástago o eje de la válvula se compara con la posición de un fuelle que recibe la señal de control neumático. Cuando la señal de entrada aumenta, el fuelle se expande y mueve un haz. El haz gira alrededor de un eje de entrada, que mueve una aleta más cerca de la boquilla. La presión de la boquilla aumenta, lo que aumenta la presión de salida al actuador a través de un relé amplificador neumático. El aumento de la presión de salida al actuador hace que el vástago de la válvula se mueva. El movimiento del vástago se retroalimenta a la viga por medio de una leva. A medida que la leva gira, el haz pivota sobre el eje de retroalimentación para alejar ligeramente la aleta de la boquilla. La presión de la boquilla disminuye y reduce la presión de salida al actuador. El movimiento del vástago continúa, alejando la aleta de la boquilla hasta que se alcanza el equilibrio. Cuando la señal de entrada disminuye, el fuelle se contrae (con la ayuda de un resorte de rango interno) y el haz pivota sobre el eje de entrada para alejar la aleta de la boquilla. La boquilla disminuye y el relé permite liberar la presión de la carcasa del diafragma a la atmósfera, lo que permite que el vástago del actuador se mueva hacia arriba. A través de la leva, el movimiento del vástago retroalimenta a la viga para reposicionar la aleta más cerca de la boquilla. Cuando se obtienen las condiciones de equilibrio, el movimiento del vástago se detiene y la aleta se coloca para evitar una mayor disminución de la presión del actuador.

El segundo tipo de posicionador es un posicionador I/P analógico. La mayoría de las unidades de procesamiento modernas utilizan una señal de CC de 4 a 20 mA para modular las válvulas de control. Esto introduce la electrónica en el diseño del posicionador y requiere que el posicionador convierta la señal de corriente electrónica en una señal de presión neumática (de corriente a neumática o I/P). En un posicionador I/P analógico típico, el convertidor recibe una señal de entrada de CC y proporciona una señal de salida neumática proporcional a través de un arreglo de boquilla/aleta. La señal de salida neumática proporciona la señal de entrada al posicionador neumático. De lo contrario, el diseño es el mismo que el posicionador neumático.

Mientras que los posicionadores neumáticos y los posicionadores I/P analógicos brindan un control básico de la posición de las válvulas, los controladores de válvulas digitales agregan otra dimensión a las capacidades de los posicionadores. Este tipo de posicionador es un instrumento basado en un microprocesador. El microprocesador permite el diagnóstico y la comunicación bidireccional para simplificar la configuración y la resolución de problemas.

En un controlador de válvula digital típico, el microprocesador lee la señal de control, la procesa un algoritmo digital y la convierte en una señal de corriente de accionamiento para el convertidor I/P. El microprocesador realiza el algoritmo de control de posición en lugar de un conjunto mecánico de viga, leva y aleta. A medida que aumenta la señal de control, aumenta la señal de accionamiento al convertidor I/P, aumentando la presión de salida del convertidor I/P. Esta presión se envía a un relé amplificador neumático y proporciona dos presiones de salida al actuador. Al aumentar la señal de control, una presión de salida siempre aumenta y la otra presión de salida disminuye

Los actuadores de doble efecto usan ambas salidas, mientras que los actuadores de simple efecto usan solo una salida. La presión de salida cambiante hace que el vástago o eje del actuador se mueva. La posición de la válvula se retroalimenta al microprocesador. El vástago continúa moviéndose hasta que se alcanza la posición correcta. En este punto, el microprocesador estabiliza la señal de excitación al convertidor I/P hasta que se obtiene el equilibrio.

Además de la función de controlar la posición de la válvula, un controlador de válvula digital tiene dos capacidades adicionales: diagnóstico y comunicación digital bidireccional.

Los protocolos de comunicación ampliamente utilizados incluyen HART, FOUNDATION fieldbus y PROFIBUS.

Ventajas de colocar un posicionador inteligente en una válvula de control:

1. Calibración y configuración automática del posicionador.

2. Diagnósticos en tiempo real.

3. Reducción del costo de la puesta en marcha del lazo, incluidas la instalación y la calibración.

4. Uso de diagnósticos para mantener los niveles de desempeño del lazo.

5. Precisión de control de proceso mejorada que reduce la variabilidad del proceso.

Tipos de válvula de control

Las válvulas de control se clasifican por atributos y características.

Basado en el perfil de caída de presión

• Válvula de alta recuperación: estas válvulas normalmente recuperan la mayor parte de la caída de presión estática desde la entrada hasta la vena contracta en la salida. Se caracterizan por un coeficiente de recuperación más bajo. Ejemplos: válvula de mariposa, válvula de bola, válvula de macho, válvula de compuerta
• Válvula de recuperación baja: estas válvulas normalmente recuperan una pequeña parte de la caída de presión estática desde la entrada hasta la vena contracta en la salida. Se caracterizan por un mayor coeficiente de recuperación. Ejemplos: válvula de globo, válvula de ángulo

Basado en el perfil de movimiento del elemento de control

• Vástago deslizante: el vástago/tapón de la válvula se mueve en un movimiento lineal o en línea recta. Ejemplos: válvula de globo, válvula de ángulo, válvula de compuerta tipo cuña
• Válvula rotativa: El disco de la válvula gira. Ejemplos: válvula de mariposa, válvula de bola

Basado en la funcionalidad

• Válvula de control: controla los parámetros de flujo proporcionales a una señal de entrada recibida del sistema de control central. Ejemplos: válvula de globo, válvula de ángulo, válvula de bola
• Válvula de cierre / cierre: estas válvulas están completamente abiertas o cerradas. Ejemplos: válvula de compuerta, válvula de bola, válvula de globo, válvula de ángulo, válvula de manguito, válvula de diafragma
• Válvula de retención: Permite el flujo solo en una sola dirección
• Válvula acondicionadora de vapor: Regula la presión y la temperatura del medio de entrada a los parámetros requeridos en la salida. Ejemplos: válvula de derivación de turbina, estación de descenso de vapor de proceso
• Válvula de seguridad accionada por resorte: Cerrada por la fuerza de un resorte, que se retrae para abrir cuando la presión de entrada es igual a la fuerza del resorte

Basado en el medio de accionamiento

• Válvula manual: Accionada por volante
• Válvula neumática: accionada mediante un medio comprimible como aire, hidrocarburo o nitrógeno, con un diafragma de resorte, un cilindro de pistón o un actuador de resorte de pistón
• Válvula hidráulica: Accionada por un medio no comprimible como agua o aceite
• Electroválvula: Accionada por un motor eléctrico

Existe una amplia variedad de tipos de válvulas y operaciones de control. Sin embargo, existen dos formas principales de acción, el vástago deslizante y el rotatorio.

Los tipos de válvulas de control más comunes y versátiles son las de globo de vástago deslizante, bola con muesca en V, mariposa y ángulo. Su popularidad se deriva de su construcción robusta y las muchas opciones disponibles que los hacen adecuados para una variedad de aplicaciones de procesos. Los cuerpos de las válvulas de control se pueden clasificar de la siguiente manera:

Lista de tipos comunes de válvula de control

• Tallo deslizante
  • Válvula de globo - Dispositivo de control de flujo
  • Válvula de cuerpo angular
  • Válvula de pistón de asiento inclinado
  • Válvula de flujo axial
• Giratorio
  • Válvula de mariposa – Dispositivo de control de flujo
  • Válvula de bola - Dispositivo de control de flujo
• Otro
  • Válvula de pinza
  • Válvula de diafragma - Dispositivo de control de flujo