Como son las Válvulas de Control Inteligentes en la Actualidad (part 1)

23 Diciembre 2009

 

Es muy extenso hablar sobre válvulas y más aún de sus controles y automatización.

No obstante trataremos de exponer lo más claro y breve posible los conceptos actuales y facilitar consejos prácticos de acuerdo a criterios, desarrollo y evolución que hemos podido aprender a lo largo de muchos años trabajando con este elemento final de control que es el más importante para el buen funcionamiento de los procesos industriales.

 

 

La Válvula de Control Actual

 

Los avances espectaculares realizados en los últimos años en el campo de la tecnología digital (Microprocesadores, comunicación etc.), no solo han revolucionado a los instrumentos de Panel (DCS,  PLC, Controladores, etc.),  si no también a las válvulas de control. Actualmente, más del 40% de la instrumentación local que se instala (transmisores, analizadores, válvulas de control, etc.) se hace con el calificativo de inteligente, incorporando funciones de cálculo, control, autodiagnosis, calibración remota, etc. En la actualidad la comunicación de los instrumentos inteligentes con los SCDs, son con protocolos híbridos (señal 4 – 20 mA + señal digital) donde el denominado HART es el más usado. La tendencia futura es tratar de normalizar y estandarizar la comunicación totalmente digital existiendo ya disponibilidad de equipos con protocolos digitales puros (Field Bus Foundation). Obviamente el mundo de las válvulas de control no han quedado ajeno a estos avances tecnológicos y  actualmente se han incorporado posicionadores y controladores expertos inteligentes que se pueden montados en cualquier válvula de control.

 


Criterios de Selección de válvulas de Control

Nosotros vemos muchos problemas comunes en campo asociados con las válvulas. Estos problemas se caracterizan por:
• Necesidad de frecuente mantenimiento, por ejemplo, un usuario dirá que “Nosotros debemos reconstruir está válvula después de cada cierre. El ciclo de mantenimiento debe hacerse muchas veces lo que se ha vuelto una norma.
• Válvulas que trabajan perfectamente después de su mantenimiento, pero que en un corto periodo de tiempo se vuelven un dolor de cabeza funcionando pobremente y poco confiable.
• Las válvulas causan preocupación durante el cierre y apertura en lo que se refiere a si superarán los fenómenos transitorios. Sin embargo una vez que el sistema está a completa carga los problemas desaparecen.
• Válvulas para las cuales el sistema de control debe ser puesto en operación manual porque ocurren problemas cuando el sistema está en automático.
• Lazo de control de bypass son puestos en servicio durante el arranque y cierre transitorios para permitir una operación estable de la válvula principal.
Estos problemas existen a causa de:
• Mala aplicación del diseño de la válvula seleccionada.
• Sobre-dimensionamiento ó sub-dimensionamiento de la válvula para la necesidad del proceso.
• Requerimientos pobremente especificados al proveedor.
Uno de nuestros objetivos es la apropiada especificación de la válvula de control para evitar muchos problemas como los anotados arriba.
A) Especificaciones para válvulas de control

Las especificaciones para válvulas de control son lo que indican lo mínimo que debe de contener una válvula para satisfacer todas las condiciones de operación, el tipo de aplicación y los requerimientos del usuario. Todas las especificaciones se relacionan con las partes de la válvula de control y el flujo de fluidos, considerando la experiencia acumulada del usuario y de las instituciones que normalizan todo lo relacionado con las válvulas de control, como es la ISA que rige para toda América.
Las especificaciones mencionan cómo deben de diseñarse y calcularse las diferentes partes de la válvula de control en función de los datos y detalles de operación y diseño y de los requerimientos del usuario. Cuando un usuario solicita una válvula de control para una construcción nueva o en substitución de una válvula existente, debe de dar junto con los datos de operación las especificaciones.
Por lo tanto, en general las especificaciones para una válvula de control deben de ser las siguientes:
  • Actuador: Tipos de Actuador
  • El Posicionador: APEX 5000. Logic Serie 1000
  • La Válvula:
  • Trim (Internos):Principos Básicos, El problema con gases,Nivel de Sonido
B)  Actuador


b.1) Tipos de Actuador

Para  seleccionar el actuador, debe tomarse en consideración las condiciones de operación y las especificaciones. Los actuadores pueden ser tipo neumático ó eléctrico, de pistón ó diafragma o de piñón y cremallera de doble acción ó retorno por resorte. Se debe analizar el suministro de aire disponible en la red neumática y tener en consideración la calidad del mismo. Actualmente se cuenta con softwares que realizan esté trabajo, nosotros haremos uso del Software AutoSize 3.0 diseñado por Automax/Flowserve Control Division.
Para aplicaciones con válvulas mayores de 2 pulgadas de diámetro y caídas de presión de > 580 psi no deben de usarse actuadores de diafragma. Se recomienda usar actuadores de pistón lineales ó cuarto de vuelta.
- El Actuador de Piñón y Cremallera

Los Actuadores de Piñón y Cremallera están diseñados para la automatización de Válvulas de Mariposa, Bola o Macho, es decir válvulas de 1/4  Vuelta (Giro 180º para válvulas de 03 vías). Los actuadores son diseñados con una carrera de 100° de rotación con ajuste de carrera tanto CW como CCW para la posición de abierto y cerrado. Son transformables a Doble Acción o Retorno por Resorte simplemente Sustrayendo o Adicionando Resortes utilizando el mismo cuerpo y tapas. Tiene por tanto el mismo tamaño para ambas alternativas. Disponible en torques desde 25 in-lbs hasta 58,000 in-lbs para un óptimo dimensionamiento de actuador
La elección de los actuadores depende de factores tales como:
• Caída de presión a través de la válvula
• Clasificación del lugar de instalación
• Torque de la válvula
• Tiempo de repuesta
- El Actuador de Piston VALTEK

El actuador lineal de piston y resorte VALTEK es un poderoso actuador neumático de alto rendimiento que permite regular ú operar en modo ON-OFF. El cilindro está diseñado para suministros de aire hasta 150 Psi (10.3 Psi), usando un resorte para proveer operación de fallo seguro. El posicionador suministra aire a ambas cámaras, esta característica le permite obtener una posición segura y precisa a la válvula y una alta frecuencia de respuesta.
C) El Posicionador

Es el accesorio más importante asociado a una válvula de control. Puede ir de manera independiente (solo posicionador) ó integrado con el convertidor I/P.  Se monta sobre cualquier tipo de válvula, sea está lineal ó cuarto de vuelta. Su función es la regulación de la válvula de acuerdo a una señal procesada bajo algún algoritmo de control que responde con una señal análoga de 4 – 20mA.
-  APEX 5000

Posicionador electro-neúmatico  basado en el principio de equilibrio de fuerzas. Recibe una señal ó neumática 3-15 Psi ó eléctrica 4-20 mA, y la compara con la posición del vástago de la válvula y bajo una estrategia de control de retroalimentación (feed back) logra el correcto posicionamiento de la válvula. Internamente utiliza una leva que le da opciones de poder operar  bajo modos de apertura rápida (square root), lineal (linear) ó lenta (squared). El sistema es modular, permitiendo darle dar las características más apropiadas compatibles al proceso.

- Logic Serie 1000
El posicionador logix 1000 es un instrumento eléctrico de retro-alimentación. La figura de arriba muestra un Logix 1000 instalado en un actuador de doble efecto para acción aire para abrir. El posicionamiento está basado en el balance de 02 señales: una proporcional a la señal de comando de ingreso y la otra proporcional a la posición del vástago de la válvula. La presión de aire para el modulador de presión del posicionador es cogida desde una toma  fuera del suministro principal y es filtrada mientras pasa a través de un elemento de filtro dentro del módulo. A continuación el aire pasa a través de un regulador de presión interno que lo regula aproximadamente a 22 Psig. El aire entonces pasa a través de un orificio que restringe el flujo y su consumo.
El modulador de la presión además controla el aire a 6-12 Psig, usando un resorte de diafragma plano que es atraído hacia por un electromagneto hacia una boquilla. Un sensor de Efecto hall de temperatura compensada , el cual está montado sobre el circuito que sensa la posición de la spool valve. El sensor de efecto hall y el cuircuito crean un lazo interno de control, que determina cuanta corriente debe enviarse al electro-magneto para conseguir la posición deseada de la spool valve. El electro-magneto en un lazo con retro-alimentación varía es espaciamiento entre la boquilla y el resorte plano que regulan la presión a 6-12 psig, proporcional a la señal digital procesada en el algoritmo de control. Cuando la señal de comando y la señal de la posición del vástago son iguales, el sistema estará en equilibrio y la vástago de válvula estará en la posición exigida por la señal de comando. Si ambas señales no son iguales, la spool valve se moverá hacia delante ó hacía atrás y  por medio de el modulador de presión, cambiará la presión de salida y la cantidad de flujo. Ocurrirá que el actuador se moverá hasta la señal de posición que se ecualice con la señal de comando.

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

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