Type de vanne et caractérisation

dimensionnement peuvent avoir un impact important sur les performances de l'ensemble de régulation du système. Si le

dimensionnement de la vanne doit suffire à faire passer le débit dans toutes les situations possibles, une vanne qui est trop grande pour l'application porte préjudice à l'optimisation du procédé.

La capacité de débit de la vanne est également liée au type de vanne, c'est pourquoi il s'agit de connaître ses caractéristiques inhérentes. Les

caractéristiques inhérentes sont la relation entre la capacité de débit de la vanne et la course de la vanne lorsque la baisse de pression différentielle de la vanne est constante.

Ces caractéristiques sont généralement représentées sur une courbe où l'axe horizontal indique le pourcentage de course et l'axe vertical indique le pourcentage de débit (ou C_v). Le débit de la vanne dépendant de la course de la vanne et de la chute de pression dans la vanne, il est d'usage d'effectuer des essais des caractéristiques inhérentes à la vanne à une chute de pression constante. Dans la pratique, cette situation n'est pas normale, mais elle fournit une manière dynamique de comparer les caractéristiques de deux vannes.

Manuel de la vanne de régulation | Chapitre 2 : Performances des vannes de régulation

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Dans des conditions spécifiques de chute de pression constante, le débit de la vanne ne devient qu'une fonction de la course de la vanne et la conception inhérente de l'équipement interne de la vanne. Ces caractéristiques sont appelées

caractéristiques de débit inhérentes de la vanne. Les caractéristiques type d'une vanne établies de cette manière sont dites linéaires, à égal pourcentage et à ouverture rapide.

Le taux de changement incrémentiel du débit de la vanne (sortie) par rapport à l'incrément correspondant de la course de la vanne (entrée) qui a provoqué le changement de débit est appelé le gain de la vanne.

Gain inhérent de la vanne = (Modification du débit)/(Changement de course) = Pente de la courbe de caractéristique inhérente La caractéristique linéaire présente un gain inhérent de la vanne constant sur toute sa plage, et la caractéristique d'ouverture rapide présente un gain inhérent de la vanne supérieur à l'extrémité inférieure de la plage de course. Le gain inhérent de la vanne supérieur pour une vanne à égal pourcentage est à l'ouverture maximum de la vanne.

La caractéristique inhérente est une fonction inhérente de la géométrie de passage du débit et elle ne change pas tant que la chute de pression reste constante. De nombreuses conceptions de vanne, en particulier les vannes à boisseau sphérique rotatives, les vannes papillon et les vannes à clapet excentré, présentent des caractéristiques inhérentes qui ne peuvent pas être facilement modifiées. Toutefois, la plupart des robinets à soupape sont munis d'une sélection de cages de vanne ou de bouchons qui peuvent être interchangés afin de modifier la

caractéristique de débit inhérente.

Il est utile de connaître la caractéristique inhérente de la vanne, mais la caractéristique la plus importante pour l'optimisation du procédé est la caractéristique du débit installé de l'ensemble du procédé, y compris la vanne et le reste de l'équipement de la boucle. La caractéristiques du débit installé est définie par le rapport entre le débit qui traverse la vanne et l'entrée de l'ensemble de la vanne lorsque la vanne est installée dans un système spécifique, et la chute de pression à travers la vanne peut changer naturellement au lieu d'être maintenue à une valeur constante. La courbe supérieure de la Figure 2.5. illustre la caractéristique du débit installé. Le débit indiqué sur cette figure est en relation avec la course de la vanne plus connue, et non pas avec l'entrée de l'ensemble de la vanne.

1000 800 600 400 200 0 3

2

1

0 Gain (% débit/

% entrée)

Course de vanne(%) Caractéristique installée

Gain installé

Spécification gain EnTech Plage de contrôle

Débit (gpm)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Figure 2.5 Caractéristiques du débit installé et gain

2.1.4.1 Gain installé

Le gain installé, illustré par la courbe inférieure de la Figure 2.5, est une représentation de la pente de la courbe supérieure en chaque point. Les courbes de caractéristiques du débit installé peuvent être obtenues en laboratoire, en faisant

fonctionner toute la boucle selon le point de consigne nominal et sans interférences de charge. La boucle est mise en fonctionnement manuel, le débit est mesuré et enregistré à mesure que l'entrée de l'ensemble de régulation est manuellement amenée à sa plage de course complète. La partie supérieure de la Figure 2.5 est une représentation des résultats qui forment la courbe de la caractéristique du débit installé.

La pente de cette courbe de débit est ensuite évaluée à chaque point de la courbe et marquée comme le gain installé, comme illustré sur la partie inférieure de la Figure 2.5.

Les valeurs du gain de procédé installé mesurées sur le terrain peuvent également être relevées sur un seul point de fonctionnement à l'aide des essais sur la phase de la boucle ouverte (Figure 2.3). Le gain de procédé installé à une condition opératoire, quelle qu'elle soit, est simplement le rapport entre le pourcentage de

changement de la sortie (débit) et le pourcentage de changement du signal d'entrée de l'ensemble de la vanne.

La raison de la caractérisation du gain inhérent de la vanne à différentes conceptions d'équipement interne de la vanne permet de compenser d'autres changements de gain dans la boucle de contrôle. L'objectif final est de maintenir le gain de boucle, qui est raisonnablement uniforme sur l'ensemble de la plage de fonctionnement, afin de garder une caractéristique du débit installé relativement linéaire pour le procédé. Au vu de la manière dont elle est mesurée, la caractéristique du débit installé et le gain installé illustrés à la Figure 2.5 sont

réellement le gain installé et la caractéristique de débit de l'ensemble du procédé.

En général, le gain de l'unité contrôlée change en fonction du débit. Le gain d'une cuve sous pression tend par exemple à diminuer avec le rendement. Dans ce cas, l'ingénieur chargé du contrôle du procédé pourrait vouloir utiliser une vanne à égal pourcentage dont le gain augmente avec le débit. Idéalement, ces deux relations inverses devraient s'équilibrer pour assurer une caractéristique du débit installé plus linéaire pour l'ensemble du procédé.

2.1.4.2 Gain de boucle

Théoriquement, une boucle est réglée de manière à assurer des performances optimales à un point de consigne de débit. Le débit variant autour de ce point de consigne, il convient de garder le gain de boucle le plus constant possible pour maintenir des performances optimales. Si le gain de boucle change à cause d'une caractéristique inhérente de la vanne, il ne compense pas exactement le gain changeant de l'unité contrôlée et le gain de boucle changera en fonction de la variation du gain de procédé installé. En conséquence, l'optimisation du procédé devient plus difficile. Le gain de boucle risque également de changer suffisamment pour provoquer l'instabilité, limiter le cycle ou d'autres difficultés dynamiques.

Le gain de boucle ne devrait pas varier de plus de 4:1 ; au-delà, les performances

dynamiques de la boucle pourraient devenir inacceptables. Ce taux spécifique n'a rien de magique ; c'est simplement un élément sur lequel de nombreux spécialistes du contrôle s'accordent pour dire qu'il produit une plage acceptable de marges de gain dans la plupart des boucles de contrôle du procédé.

Ces lignes directrices constituent la base de la spécification de limite de gain EnTech suivante (tirée de la Spécification dynamique de la vanne de contrôle, Version 3.0, novembre 1998, EnTech Control Inc., Toronto, Ontario, Canada):

Gain de procédé de la boucle = 1,0 (% de l'étendue du transmetteur)/(% sortie du contrôleur)

Plage nominale : 0,5-2,0 (Remarque Proportion de 4-à-1)

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Cette définition du procédé de la boucle comprend tous les dispositifs de la configuration de la boucle, à l'exception du contrôleur. En d'autres termes, le produit des gains de dispositifs tels que l'ensemble de régulation, l'échangeur de chaleur, la cuve sous pression et d'autres systèmes contrôlés, la pompe, le transmetteur, etc. est le gain de procédé. La vanne étant une partie du procédé de la boucle tel qu'il est défini ici, il est important de sélectionner un type et un dimensionnement de vanne qui produira une caractéristique du débit installé suffisamment linéaire pour rester dans les limites de gain spécifiées sur une plage de fonctionnement du système. Si la variation de gain qui se produit dans la vanne de régulation est trop importante, elle laisse moins de flexibilité au réglage du contrôleur. Dans la pratique, il convient de garder autant de gain de boucle que possible dans le contrôleur.

Bien que le taux de 4:1 de changement de gain dans la boucle soit largement accepté, tout le monde n'est pas d'accord sur les limites de gain de 0,5 à 2,0. Certains experts du secteur utilisent des limites de gain du procédé de la boucle de 0,2 à 0,8, ce qui correspond toujours à 4:1. Le danger potentiel inhérent à l'utilisation de cette plage de gain réduite est que l'extrémité basse de la plage de gain pourrait provoquer un battement important de la vanne durant le fonctionnement normal. Il convient de

maintenir le battement de la vanne à moins de 5%. Toutefois, laisser le gain trop augmenter comporte également un risque.

La boucle peut commencer à osciller, voire devenir instable, si le gain de boucle est trop élevé en un certain point de la course. Pour assurer de bonnes performances dynamiques et la stabilité de la boucle sur une vaste plage de conditions opératoires, les experts du secteur recommandent d'ingénieriser l'équipement de la boucle de telle façon que le gain de procédé reste dans une plage comprise entre 0,5 et 2,0.

2.1.4.3 Optimisation du procédé

L'optimisation du procédé requiert de choisir un type et un dimensionnement de vanne qui maintiendront le gain de procédé dans la plage de limite de gain sélectionnée qui couvre le plus grand nombre possible de conditions opératoires. Minimiser la variabilité du procédé dépend du fait que l'on maintienne un gain installé uniforme, c'est pourquoi la plage sur laquelle la vanne peut fonctionner, dans les limites de spécification de gain acceptables, est définie comme la plage de contrôle de la vanne.

La plage de contrôle d'une vanne varie largement en fonction du type de vanne. La Figure 2.6 compare une vanne papillon linéaire à un robinet à soupape linéaire. Le robinet à soupape présente une plage de

Figure 2.6 Effet du type de vanne sur la plage de contrôle

Caractéristique et gain installés du débit 1000

Course de vanne (%)

Caractéristique installée

contrôle bien plus étendue que la vanne papillon. Les autres types de vannes, comme les vannes à boisseau sphérique à encoche en V et les vannes à clapet excentré, sont généralement placés quelque part entre ces deux plages.

Les vannes papillon ayant généralement la plage de contrôle la plus limitée, elles sont plus adaptées aux applications à charge fixe.

De plus, elles doivent être soigneusement dimensionnées pour assurer des performances optimales avec des charges fixes.

Si la caractéristique inhérente de la vanne pouvait être sélectionnée de manière à compenser exactement le changement de gain du système en fonction du débit, on pourrait s'attendre à ce que le gain de procédé installé (courbe inférieure) soit essentiellement une ligne droite d'une valeur de 1,0.

Malheureusement, il est rarement possible d'obtenir une correspondance aussi précise du gain, au vu des limites logistiques imposées par la fourniture d'une variété infinie de caractéristiques inhérentes à l'équipement interne de la vanne. De plus, certains types de vannes, comme les vannes papillon et les vannes à boisseau sphérique, ne permettent pas de disposer d'alternatives d'équipement interne grâce auxquelles il serait facile de modifier la caractéristique inhérente à la vanne.

Cette situation peut être améliorée par l'utilisation d'une échelle non linéaire entre le point de consigne de la vanne et sa position.

Cette technique re-dimensionne le signal d'entrée de la vanne en utilisant le signal du contrôleur linéaire et en appliquant un tableau de valeurs pré-programmées pour produire l'entrée de vanne nécessaire à atteindre la caractéristique voulue pour la vanne. Cette technique est parfois appelée chemin avant ou caractérisation du point de consigne.

Cette caractérisation se produit à l'extérieur de la boucle de retour du positionneur, et elle évite de modifier le gain de boucle du positionneur. Cette méthode a elle aussi ses limites dynamiques. Par exemple, en certains points de la plage de la vanne un changement du signal de procédé de 1,0% peut être réduit à 0,1% de changement de signal transmis à la vanne (c'est-à-dire dans les régions plates de

la courbe de caractérisation) grâce à ce processus de caractérisation. De nombreuses vannes de régulation ne sont pas en mesure de répondre aux changements de signal aussi réduits.

Les meilleures performances du procédé sont obtenues lorsque les caractéristiques du débit requises sont obtenues par des changements de l'équipement interne de la vanne et non pas par l'utilisation d'une caractérisation non linéaire. La bonne sélection de la vanne de régulation conçue pour produire des caractéristiques de débit installé raisonnablement linéaires sur la plage de fonctionnement du système est une phase critique pour assurer les performances optimales du procédé.

2.1.5 Dimensionnement de la vanne