コントロールバルブのサイズを決定する方法: Cv、Kv、流量ケースおよびバルブトラベル

一般的な制御バルブのサイジング失敗は、パイプラインが DN100 であるため、プロジェクトでは DN100 制御バルブを選択するという単純な仮定から始まります。

バルブは必要な最大流量を通過しますが、通常の動作中はシートの近くに留まります。ステムの小さな動きにより大きな流量変化が生じ、ポジショナは継続的にバルブ位置を修正し、プロセス変数は設定値を中心に循環し始めます。

必ずしもバルブが故障しているわけではありません。単純に、プロセスが通常の動作中に使用できる流量よりも多くの流量を持っている可能性があります。

正しいサイジングは、パイプラインの直径ではなく、プロセス条件から始まります。この記事では説明します コントロールバルブのサイズを決める方法 Cv または Kv、最小、通常、最大流量のケース、対応する圧力条件、および予測されるバルブ移動量を使用します。

コントロールバルブのサイジングワークシートから始める

バルブ モデルを選択する前に、バルブが制御する必要があるすべての動作条件を記載したサイジング ワークシートを 1 つ準備してください。

1 つの最大流量を無関係な設計圧力と一緒に指定しないでください。各フロー ケースには、対応する独自の入口圧力、出口圧力、および温度が必要です。

起動、停止、バイパス、洗浄、再生、または緊急動作ケースが異なる流量または圧力条件を課す場合は、個別に追加する必要があります。

液体データが必要です

• 流体名と化学成分
• 最小、通常、最大流量
• すべてのフローケースの入口および出口圧力
• あらゆるフローケースの動作温度
• 密度または比重
• 動作温度における蒸気圧
• 選択したサイジング方法で必要な臨界圧力
• 粘性液体の粘度
• 固形分、粒子サイズ、研磨特性

ガスと蒸気のデータが必要です

• ガス組成または蒸気状態
• 最小、通常、最大の質量または体積流量
• あらゆる場合の入口および出口の絶対圧力
• 入口温度
• 分子量またはガス比重
• 圧縮率
• 必要な場合の比熱比
• 蒸気の質または過熱度

Cv と Kv の実際の意味

Cv と Kv は流量係数です。これらは、特定の基準条件下での特定のバルブと定義された開口部のトリムの容量を表します。

以下のものを直接特定するものではありません。

• 公称パイプラインサイズ
• バルブ圧力クラス
• アクチュエータ力
• シート漏れクラス
• キャビテーションまたはフラッシングに対するバルブの適合性

基本的な液体スクリーニング計量式

配管を大幅に修正しない、乱流でむせていない水のような液体の場合、予備的な計量推定値は次のように表すことができます。

Kv = Q × √(SG / ΔP)

• Kv: メートル流量係数
• 質問: 液体流量 (m3/h)
• オーストラリア: 水に対する液体の比重
• ΔP: バルブ全体の圧力降下 (bar)

米国の基本的な液体スクリーニング式

米国の慣用単位を使用すると、対応する予備式は次のようになります。

Cv = Q × √(SG / ΔP)

• 履歴書: 米国流量係数
• 質問: 液体流量（米国ガロン/分）
• オーストラリア: 水に対する液体の比重
• ΔP: バルブ全体の圧力損失 (psi)

方程式は同じに見えますが、単位が異なります。 Cv と Kv を変換せずに交換してはなりません。

実際に変換するには:

• Cv ≈ 1.156 × Kv
• Kv ≈ 0.865 × Cv

正確なサイジングには基本式以上のものが必要な理由

取り付けられる制御バルブのサイズは、以下を考慮する必要がある場合があります。

• 液圧回復とチョーク流
• キャビテーションまたはフラッシング
• 気体の膨張と圧縮率
• 臨界圧力比
• バルブ固有の圧力回復係数
• レデューサー、エキスパンダー、その他の付属継手
• 非乱流または低レイノルズ数の流れ
• 高粘度
• 多段トリム
• 出口速度と空力騒音

したがって、メーカーは、無関係な製品から取得した一般的な係数ではなく、選択したバルブ本体とトリムの実際の係数を使用する必要があります。

最小流量、通常流量、最大流量のサイズを個別に設定する必要がある理由

必要な Cv または Kv は、流量または圧力損失が変化するたびに変化します。最大流量の場合は、必要な最大係数が自動的に生成されません。

たとえば、バルブ全体での利用可能な圧力降下が比較的低い場合、プロセスでは最大流量が必要になる場合があります。これにより、必要な最高の Cv を生成できます。

最小流量では、下流の需要が低下する一方で、上流の圧力は高いままになる可能性があります。この場合、バルブの圧力降下は大きくなりますが、シートに近づきすぎずに、はるかに小さい流量を調整する必要があります。

最小流量の場合

最小ケースでは、バルブが安定した再現可能な動作で必要な最低流量を調整できるかどうかをチェックします。

重要な質問には次のようなものがあります。

• バルブはシートに非常に近い位置で作動しますか?
• 必要な流量は選択したトリムの制御可能範囲を下回っていますか?
• シートの摩擦とパッキンの摩擦が小さな位置変化に影響を及ぼしますか?
• 削減されたトリム、特徴的なトリム、または分割範囲の配置が必要ですか?

通常の流れの場合

通常のケースは、バルブがその動作寿命のほとんどを費やす可能性がある場所を表すため、最も注目に値します。

バルブは、閉位置または全開位置付近で継続的に動作するのではなく、この条件で有用な移動量と予測可能な設置ゲインを提供する必要があります。

最大流量の場合

最大ケースでは、プロセスの変動やサイズの不確実性に対する適切な許容値を維持しながら、バルブに十分な容量があるかどうかをチェックします。

非常に大きな予備容量を作成するためだけに、バルブを自動的に拡大するべきではありません。過剰な余力は通常負荷の制御性を低下させる可能性があります。

パイプラインのサイズは制御バルブのサイズを決定しません

パイプラインの直径は、システム速度、圧力損失、流量需要、機械設計、経済性を考慮して選択されます。

コントロールバルブのサイズは以下から選択します。

• 必要な Cv または Kv
• 利用可能な圧力損失
• 予測動作移動量
• バルブ本体とトリム容量
• 入口と出口の速度
• キャビテーション、フラッシング、ノイズのリスク
• 機械的接続と配管レイアウト

したがって、制御バルブは、接続されているパイプラインよりも小さい場合があります。結果として生じる速度、騒音、圧力回復、および配管負荷が許容可能な場合には、適切な減速機と膨張機を使用できます。

取り付けられた減速機と拡張機の効果は、該当する場合、取り付けられたサイジングに含める必要があります。

ラインサイズコントロールバルブが大きすぎる場合

次の場合、ラインサイズのバルブが大きすぎる可能性があります。

• 制御バルブはシステム全体の圧力降下のほんの一部しか受けません。
• バルブ本体はプロセス要求に対して高い定格 Cv を備えています
• 選択したロータリー バルブは、同じ呼び径のグローブ バルブよりもはるかに大きな容量を備えています。
• プロセスは通常、設計フローよりもはるかに下で動作します
• 将来のキャパシティ許容量は、さまざまなプロジェクト分野によって繰り返し追加されています

必要な Cv はバルブトラベルと同じではありません

各動作ケースに必要な Cv または Kv を計算した後、次のステップでは、それらの値を選択したバルブの容量対トラベル曲線と比較します。

定格 Cv 100 のバルブは、50% の移動量で必ずしも Cv 50 を提供するとは限りません。

関係は以下によって異なります。

• 固有の流量特性
• トリムジオメトリ
• バルブボディのスタイル
• 選択した縮小またはフルサイズのトリム
• システムの圧力損失
• 各流量でバルブ全体で利用可能な圧力降下

リニア特性

線形トリムは、バルブ全体の一定の圧力降下のもとで、バルブ移動量の等しい増分に対してほぼ等しい流量係数の増分を生成します。

これは、設置されたプロセス流量が移動に対して線形であることを保証するものではありません。これは、システム流量の変化に応じてバルブ全体の圧力降下が変化することがよくあるためです。

等パーセント特性

等しいパーセンテージのトリムでは、定義されたテスト条件下で同じ移動量の増分に対して、ほぼ同じパーセンテージの電流流量係数変化が生じます。

これは、プロセスで広い流量範囲が必要な場合や、システムの総圧力降下に占めるバルブの割合が大幅に変化する場合によく考慮されます。

選択したトリム特性により、予測される移動量と設置されたプロセスの応答が変化する可能性があります。読む 等しいパーセンテージとリニアコントロールバルブ 最終的なトリムカーブを確認する前に。

インストール特性とインストールゲイン

インストールされた特性は、バルブが配管システムに接続された後のバルブの移動量とプロセス流量の間の実際の関係を表します。

設置ゲインは、バルブ移動量の特定の変化に対して流量がどの程度変化するかを表します。設置されたゲインが高すぎるか低すぎると、制御ループの調整と安定性がより困難になる可能性があります。

オーバーサイズ、適切なサイズ、およびアンダーサイズのバルブ

取り付けられたバルブが動作点を中心に繰り返し循環する場合、サイジングは考えられる原因の 1 つにすぎない可能性があります。私たちのを使用してください コントロールバルブハンティングトラブルシューティングガイド バルブを交換する前に、コントローラーのコマンド、実際の移動量、スティクション、エア供給、ポジショナーの応答、プロセスループの動作を比較します。

加工液のサイジング例

次の単純化された例は、3 つの運用ケースをチェックする必要がある理由を示しています。これは、最終的な IEC または ISA サイジングの代わりとなるものではありません。

プロセスデータ

• 流体：水様処理液
• 比重：0.98
• 流量単位: m3/h
• 圧力降下の単位: bar
• 予備式：Kv = Q × √(SG / ΔP)

暫定結果が示すもの

最大流量の場合は、利用可能な圧力降下がその条件で最も低いため、最も高い予備 Kv が必要です。

候補トリムの定格 Kv が 90 であると仮定します。予備的に必要な係数はおよそ次のとおりです。

• 最小流量で定格 Kv の 10.7%
• 通常流量で定格 Kv の 39.1%
• 最大流量で定格 Kv の 79.2%

これらの割合は、 バルブトラベルパーセンテージではありません。実際の移動量は、選択したトリムの容量曲線と取り付けられたサイジング計算から取得する必要があります。

サイジング エンジニアは次のことを決定する必要があります。

• 選択した特性が安定した最小流量トラベルを提供するかどうか
• 通常の流れが有用な動作領域に該当するかどうか
• 許容できない速度や重大なサービスリスクを伴うことなく最大流量を達成できるかどうか
• 90 の定格 Kv が適切かどうか、またはトリムを減らしたほうがよいか、別の特性または別のボディサイズが好ましいかどうか

追加の液体チェック

最終的な選択の前に、計算に以下を含める必要があります。

• 蒸気圧と液体臨界圧力
• バルブ圧回復係数
• チョークドフローの圧力降下
• キャビテーションまたはフラッシングの評価
• レデューサーとエキスパンダーの修正
• 入口と出口の速度
• 粘度およびレイノルズ数補正（該当する場合）

キャビテーション、フラッシング、または重度の圧力低下が確認された場合は、レビューが利用可能です キャビテーションとノイズ低減のためのコントロールバルブトリムオプション.

蒸気とガスのサイジングには圧縮性流れの計算が必要

単純な液体の方程式は、ガスまたは蒸気のサイジングには使用しないでください。

圧縮性流れの計算では、流体がバルブを通って膨張するときの密度変化に対処する必要があります。計算には、圧力比、膨張、チョークフロー、付属の継手などのバルブ固有の係数も必要になる場合があります。

Steam サイジング データセットの例

このデータセットを使用すると、サイジング エンジニアは以下を確認しながら、各ケースに必要な係数と予測移動量を計算できます。

• 圧縮性の流れが詰まるかどうか
• バルブ出口速度
• 空力騒音
• トリム出口速度
• 本体およびトリムの温度制限
• 必要アクチュエータ推力
• 下流側配管サイズと減速機配置

十分な定格 Cv を備えたバルブであっても、出口速度、騒音、またはトリムエネルギーが過剰な場合には不適切な場合があります。

該当する製品については、 蒸気調節弁。ボイラーアプリケーションには専用の機器も必要となる場合があります。 ボイラー給水制御弁 または スプレー水制御弁.

サイジングでは厳しい使用条件を特定する必要がある

サイジング計算は、必要な Cv を 1 つ返すだけではありません。選択したバルブが流体の挙動を破壊するか制限するかどうかを識別する必要があります。

液体のチョークフロー

圧力差が増加しても予想される流量の増加が得られなくなると、液体の流れが詰まります。これは、バルブ内の蒸気の形成に関連している可能性があります。

制限条件は機械的ではなく流体力学的であるため、大型のアクチュエータはチョークされた流れを修正できません。

キャビテーション

キャビテーションは、蒸気泡がバルブ制限部で形成され、圧力回復後に崩壊するときに発生します。

考えられる結果は次のとおりです。

• トリムとボディのピッチング
• 騒音・振動
• シートの損傷
• 流量の損失
• 下流側配管の損傷

点滅

フラッシングは、液体がバルブを通って蒸発し、部分的に下流で蒸発したままになるときに発生します。

蒸気はすぐには崩壊して液体に戻らないため、設計ではフラッシングを通常のキャビテーションとして扱うのではなく、二相速度、出口方向、浸食を管理する必要があります。

ガスと蒸気のチョーク流

圧力比が選択したバルブとトリムの制限条件に達すると、圧縮性の流れが詰まる可能性があります。

この時点以降、下流圧力をさらに下げても、チョークされていない方程式から期待される比例した容量増加は生じません。

騒音と速度

バルブは Cv 要件を満たす一方で、許容できないものを生成する場合があります。

• 空力騒音
• 流体力学的騒音
• 出口マッ数
• 管壁振動
• トリム振動
• 侵食速度

高圧アプリケーションは、適切な方法を使用してレビューする必要があります。 高圧制御弁 標準バルブの圧力クラスを高めるだけではなく、ボディとトリムの構成を変更します。

縮小トリム、フルサイズ トリム、または別のバルブ ボディ?

パイプライン接続サイズが固定されているが、必要な Cv が比較的低い場合、トリムを減らすと、バルブ本体接続サイズを変更せずに制御性が向上する場合があります。

削減されたトリムは次のような場合に役立つ可能性があります

• パイプライン サイズは、機械的または将来のシステム上の理由から必要です。
• 通常のフローでは、フルサイズのトリムよりもはるかに低い Cv が必要です
• バルブ本体が小さいと、過剰な減速機または出口速度の問題が発生する可能性があります。
• 将来の容量は、ボディを交換するのではなく、トリムを変更することで対応できる可能性があります

次の場合には、バルブ本体を小さくした方がよい場合があります。

• ラインサイズのバルブは、トリムを減らしても大幅にオーバーサイズのままです
• 小型のボディにより、トリム形状とアクチュエータのマッチングが向上します。
• 減速機と取り付け速度は引き続き許容範囲内です
• 重大なサービスリスクを増加させることなく、重量、スペース、コストを削減できます

次の場合に別のバルブ スタイルが必要になる場合があります。

• グローブバルブは詰まりがなければ固形物を通過させることができません
• ロータリーバルブにより、より適切な容量と流路を実現
• アングルバルブはフラッシングや浸食性の出口流をより適切に誘導します。
• 大幅な減圧には多段階トリムが必要
• 大きなラインサイズによりコンパクトなロータリーバルブがより実用的になります

メインを見直す コントロールバルブセレクションガイド サイジングの結果、ボディスタイル、トリム、またはアクチュエーターのコンセプトを再検討する必要があることが示された場合。

アクチュエータのサイズ設定は Cv のサイズ設定とは別です

Cv は流量を決定します。アクチュエータは、選択したバルブを動かし、プロセス条件下で指定された遮断を達成するために必要な力またはトルクを提供する必要があります。

アクチュエータのサイジングでは以下を考慮する必要があります。

• プラグ、ディスク、または回転式閉鎖要素に作用するプロセス力
• バルブ圧力のアンバランス
• 指定された漏れクラスに必要なシート荷重
• パッキンとガイドの摩擦
• バルブストロークまたはロータリトラベル
• 利用可能な最小限の空気、油圧、または電源
• フェールオープン、フェールクローズ、またはフェールインプレースの要件
• ストローク所要時間

推力が大きいアクチュエータは、選択したバルブ トリムの最大 Cv を増加させません。

アクチュエータの完全なレビューについては、 バルブアクチュエータセレクションガイド.

購入前に必要なコントロールバルブのサイジング出力

専門的なサイジングの結果では、選択した公称バルブ サイズ以上の値が得られるはずです。

カタログに記載されている定格Cvだけでバルブを承認しないでください。サイズレポートが、提供されているボディ、トリム、特性、およびアクチュエーターに正確に対応していることを確認してください。

RFQ 用のコントロール バルブ サイズ設定データ シート

お問い合わせの際には、次の情報を提供してください。

一部の流体特性が利用できない場合は、見積前に不足しているデータを特定できるように、媒体名、組成、圧力、温度を提供してください。

関連するコントロールバルブのリソース

• コントロールバルブセレクションガイド
• 工業用制御弁製品
• 高圧制御弁
• 蒸気調節弁
• ボイラー給水制御弁
• スプレー水制御弁
• キャビテーションとノイズを低減するためのコントロールバルブトリムオプション
• バルブアクチュエータセレクションガイド
• バルブの圧力と温度の定格ガイド

技術的根拠

• IEC 60534-2-1 — 取り付けられた制御バルブの流量容量のサイジング方程式
• ANSI/ISA-75.01.01 — 制御バルブの流量容量のサイジング方程式
• Emerson — コントロールバルブのサイジング手順
• ISA — 制御弁設置ゲイン計算の使用