Apresentação das válvulas de controle

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Instrutor: Fabiano Baciuk
Outubro / 2017
Metso Flow Control
Treinamento Manutenção
Parte 2 - Válvulas de Controle
© Metso2
Válvula de Controle
É o Elemento Final de Controle, responsável pelo controle de vazão do 
fluído no processo industrial.
O dimensionamento é mais complexo comparado com a On-Off.
( Φ Válvula deve ser sempre ≥ Φ/2 tubulação)
© Metso3
Damper
© Metso4
• Serviço de Controle em geral
- Materiais e revestimentos
- Fluído
- Pressão / temperatura / densidade / viscosidade / consistência
- O diâmetro certo da válvula é selecionado baseado no Cv requerido
• tipicamente menor do que a tubulação
- Tipo de válvula / condições de operação
• rotativa ou linear ( deslocamento do obturador )
• Estanqueidade não é tão importante (tipicamente ANSI IV)
• velocidade de operação não é tipicamente um problema
• vida útil (sede metálica x sede macia)
- Atuador
- Posicionador
- Para o bom controle é importante
• Baixa carga do atuador ( carga requerida p/ abrir/fechar em posição de controle )
• Característica Instalada o mais próximo possível da linear
• abertura ideal da válvula 60-80% para condições normais
• controlabilidade, Histerese, baixa fricção
• rangeabilidade
Valvulas com diferentes necessidades - pontos
a serem considerados
© Metso5
POSICIONADORES
O tipo a ser escolhido depende da Instrumentação da planta. 
Posicionador Pneumático ( NP700 ) 
1961 NP Series
Pneumatic positioner
Posicionador Eletropneumático ( NE700 ) 
1975 NE Series
Electro-pneumatic positioner
Posicionador Digital Inteligente ( ND9000)
1996 ND800 Series / 2003 ND9000
Digital valve controller
© Metso6
© Metso7
Dimensionamento da Válvula - Software Nelprof
© Metso8
Características Inerente de Vazão
É a característica própria do equipamento, fora da instalação no 
processo industrial.
A característica Linear
tem Ganho = 1
Igual Porcentagem e
Abertura Rápida tem 
Ganho variável.
© Metso9
É uma característica na qual a abertura
relativa da válvula está diretamente
relacionada com o porcentual de vazão, 
ex.: uma abertura de 50 % dá 50% da
vazão máxima, com uma queda de 
pressão constante através da válvula. 
Se a queda de pressão através da válvula
permanecer absolutamente constante
independente da taxa de vazão, será uma
ótima característica de vazão inerente.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
R
e
la
ti
v
e
 f
lo
w
 c
o
e
ff
ic
ie
n
t
Relative valve travel
Expressão matemática: Q=K.Y
Q- Vazão com queda de Pressão Constante
Y- Abertura da válvula
K- Constante
Característica Inerente de Vazão Linear
© Metso10
Iguais incrementos na abertura da válvula
causa uma porcentagem constante no 
aumento da Vazão com uma constante queda
de pressão (ΔP) através da válvula. 
É designada para linealizar a característica de 
vazão instalada em aplicações normais de 
válvula de controle, onde a queda de pressão
disponível para a válvula diminui com a 
abertura da válvula, devido ao aumento da
perda de carga em outras partes do sistema.
Expressão matemática: Q = Q0. e
Q- Vazão a ser calculada a uma queda de pressão constante
Q0= Vazão com queda de pressão constante e deslocamento Zero 
R= Rangeabilidade da válvula
Ymáx= Abertura da válvula em que a Vazão “Q” está sendo calculada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
R
e
la
ti
v
e
 f
lo
w
 c
o
e
ff
ic
ie
n
t
Relative valve travel
Característica de Vazão Inerente Igual
Porcentagem ( =%)
© Metso11
F
L
O
W
PERCENT OPEN
Iguais mudanças na
posição da válvula
produz igual
porcentagem nas
mudanças de vazão.
Característica de Vazão Inerente =%
© Metso12
• Descreve o comportamento do controle de 
uma válvula quando ela está operando no 
processo.
• O comportamento depende do modelo do 
processo ( frequentemente da curva da
bomba) e da válvula
• A Característica instalada é importante
indicação de controlabilidade.
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
F
lo
w
 r
a
te
 [
m
3
/h
]
Relative valve travel (opening)
Installed Flow Characteristics Curve
Característica de Vazão instalada
© Metso13
© Metso14
16” RE
16” L6D
Característica de Vazão Instalada - Comparação
© Metso15
4.0
In
s
ta
ll
e
d
 G
a
in 3.0
2.0
1.0
q min
q max
Dentro do range de controle especificado:
1. Ganho 0.5
2. Ganho 3.0
3. Ganho (max) / Ganho (min)  2.0
Critério para o Ganho instalado
© Metso16
Dentro do range de controle especificado: :
1. Ganho 0.5
2. Ganho 3.0
3. Ganho (max) / Ganho (min)  2.0
4. O mais constante possivel
5. O mais próximo possível de 1
In
s
ta
ll
e
d
 G
a
in 3.0
2.0
4.0
1.0
q maxq min
Critério para o Ganho instalado
© Metso17
MALHA FECHADA DE CONTROLE
( Closed Control Loop )
Set Point
EPM
Equipamento do Processo
EFC
Controlador
EPM – Elemento Primário de Medição
EFC – Elemento Final de Controle
© Metso Date Author Title18
Malha de Controle
Malha Aberta Malha Fechada de Controle
© Metso19
MODOS DE CONTROLE
Os controladores automáticos industriais podem ser classificados de 
acordo com a ação de controle desempenhada.
P - Proporcional
I - Integral
D - Derivativo
Combinações: P, PI, PD e PID
- A ação Proporcional depende da amplitude do ERRO ( desvio ) e do Ganho ajustado.
- A ação Integral permanece enquanto houver ERRO. Repete a ação proporcional em cada 
intervalo de tempo ‘’Ti’’ ajustado.
- A ação Derivativa se antecipa no aparecimento do erro. Age em função da ‘’velocidade do 
ERRO’’.
© Metso20
Ação de controle proporcional
Neste caso a relação entre a saída do controlador m(t) e o sinal erro atuante e(t) é
proporcional a sensibilidade proporcional ou ganho
ajustável: m(t) = KP . e(t)
Ação de controle integral
O valor de saída do controlador m(t) varia em uma taxa no tempo que é 
proporcional ao sinal de erro atuante e(t):
Ação de controle derivativo
O valor de saída do controlador m(t) é proporcional á taxa de variação do sinal 
de erro atuante e(t) no tempo: 
Expressões Matemáticas das Ações de Controle
© Metso21
•Vazão do líquido
•Cavitação
•Flashing
•Velocidades recomendadas
•Predição de ruído hidrodinâmico
Liquido através da Válvula de Controle
P1 P2
© Metso22
CV - Coeficiente de Vazão da Válvula
“CV” é o número de US galões ( 1 US galão = 3,785412 litros ) 
por minuto de Água, a 60 °F ( 15,5 °C ), que passa através da
abertura de uma válvula, provocando a perda de carga de 1 psi.
F
lo
w
 r
at
e,
 
Q
P
Non-Choked 
Flow
Choked 
Flow
PT
© Metso23
vapour pressure
P2
P1
Pv
P
Quando a pressão cai atingindo a pressão de vapor Pv, o líquido se transforma
em vapor gerando bolhas no interior da válvula. Após a passagem deste vapor 
pela Vena contracta a pressão começa a recuperar-se ( aumentar ) até atingir
o valor de P2 na saída da válvula. Enquanto isto, este vapor se transforma em
líquido novamente, ocorrendo a implosão das bolhas. A implosão das bolhas
no interior da válvula gera alto ruído e danifica os internos da válvula.
Cavitação
( Entrada de líquido - Transformação para vapor no interior da válvula - líquido novamente na Saída ) 
Vena contracta
Cavitation
© Metso24
© Metso25
© Metso26
Danos provocados pela Cavitação
• Água a 290 psi, pequeno ângulo de abertura
© Metso27
• Superfície danificada está esponjosa e áspera
• Dano pode ocorrido emtempo bastante curto pela cavitação 
pesada (alto dp)
Danos provocados pela Cavitação
© Metso28
Material Index*
AISI 316+stellite 20
17-4PH 2
AISI 316 1
Carbon steel 0.38
Brass 0.08
Material resistance to cavitation
*AISI 316 on reference sample piece of material.
© Metso29
Q-ball
Q-Trim 
Valve
Anti-cavitation design valves
© Metso30
S-TRIM BALANCEADO
( ex.: S-LW7LBA…AAJAT )
Esfera T5 - Baixo
ruído e anticavitação
Neles Globe
( ex.: GB - GM )
© Metso31
Baffle-plate Orifice-plate
Usado para compartilhar a queda de pressão total entre a 
válvula e a placa.
Deve ser selecionada para as condições de máximos
Resistências fixas para líquidos
© Metso32
© Metso33
vapour pressure P2
P1
Pv
P
Quando a pressão cai atingindo a pressão de vapor Pv, o líquido se 
transforma em vapor gerando bolhas no interior da válvula. Se, após a 
passagem deste vapor pela Vena contracta a pressão não se recuperar ( 
aumentar ) o suficiente, o valor da pressão P2 se manterá abaixo da zona
da pressão de vapor Pv e haverá vazão de vapor na saída da válvula. 
Flashing
( Entrada de líquido - transformação para vapor no interior da válvula - vapor na Saída )
Flashing
© Metso34
© Metso35
Flashing damages
• Tipicamente, o potencial de danos do 
flashing é menor do que o da cavitação
• Os danos são erosão tipo de desgaste, 
suaves sulcos e cavidades.
© Metso36
• Rotary valves with FTC direction
• Hardened trim, SST body
• Discharging into vessel if possible
• Wide valve openings
• Limit flow velocities
• Ampliar a tubulação a jusante
• No Q-trim in clear flashing service (P2 << Pv)
• If risk of cavitation, consider Q-trim (P2 ~ Pv)
Flashing - conclusões
© Metso37
Certamente a mesma quantidade
de bolhas implodindo causam
mais danos nas tubulações de
diâmetros menores.
Idéia :
 Valve size limite de Ruído
DN ( mm ) polegadas
80 & menores 3 & menores 80 dB(A)
100 - 150 4 - 6 85 dB(A)
200 - 350 8 - 14 90 dB(A)
400 & maiores 16 & maiores 95 dB(A)
Ruído Hidrodinâmico
Limites de ruído :
© Metso38
Esfera, Segmentada, Globo
10 m/s ( serviço continuo)
12 m/s (serviços esporádicos)
Borboleta
7 m/s (serviço contínuo)
8.5 m/s (serviços esporádicos)
Para evitar:
• Erosão
•Instabilidade (borboleta)
Limites de velocidades recomendados para
serviço com líquidos (relativamentes puros)
© Metso39
© Metso40
© Metso41
Gg, gravidade específica do gás
Gg = M/Mair
Compressibilidade, Z
Z = “o quanto o gás se desvia do gás
ideal”
Vazão ( volume/tempo ) normalizada: 
Qn (Nm3/h)
Fluxo ( massa/tempo ): w (kg/h)
lei do gás ideal
A vazão dada está nas condições normais ou nas de 
operação do processo?
Propriedades e quantificação do Gás
© Metso Date Author Title42
Número de Mach 
• É a relação entre a velocidade de escoamento
do fluído e a velocidade do som. 
(Ma>1) escoamento supersônico
(Ma<1) escoamento subsônico
Ma
v
v
s
 Veloc. Sônica
Supersônica
Subsônica
Where:
vs = velocidade do som [ m/s]
C = 91.181
k = cp/cv
T = Temperatura [graus K]
M = Peso Molecular
M
T
Csv 
k
© Metso43
Equações para vazão de Gás
Equação aplicada para as condições
de vazão não-crítica
© Metso44
Gas flow through control valve
1p
pT 1p
p
Critical pressure drop ratio 
© Metso45
• V max < 0.5 x Vs (serviço contínuo)
• V max < 0.7 x Vs (serviços esporádicos)
Os limites são determinados para gás e vapor relativamente puros.
Em meios que consiste de impurezas, baixas velocidades seriam
requeridas para evitar erosão.
Evitar exceder 110 dBA.
( tubulações não revestidas Sch 40 )
Nunca especificar uma válvula acima de 120 dBA !
Limite de velocidade na saída da válvula para Gás
© Metso46
© Metso47
© Metso48
• Há poucas normas disponíveis para o cálculo de ruídos
hidrodinâmico e aerodinâmico;
• Alguns fabricantes têm utilizado seus próprios métodos para o 
cálculo; 
• Os cálculos se referem somente ao ruído gerado pela vazão
dinâmica através da válvula em uma tubulação fechada. A 
amplificação do ruído causada por reflexão ou ressonância nas
derivações/conexões metálicas não são levadas em
consideração; 
• Normas comumente utilizadas : 
- VDMA 24422 version 1979 or 1989
- IEC 60534-8-4 version 2005
Normas de cálculo para predição de ruído
© Metso49
• Ruído é Energia !
- Ruído a jusante é o que conta
- Ruído de gás a jusante reduz 
lentamente direto no pipeline
- 85 dBA é limite comum para evitar 
defeitos de audição
- 110 dBA pode causar vibração
- Sob o nível de ruído elevado o 
equipamento poderá não operar
satisfatoriamente
- Nível de ruído de120 dBA deveria ser 
evitado
Nível de ruído recomendado no fluxo de gás
© Metso50
Válvulas em posições críticas 
Controle de Gramatura
NelesAce
2017
© Metso
NelesAce - Visão Geral da Aplicação
Date Author Title
INTERNAL
52
© Metso
NelesAce – Composição do sistema
• Válvula de controle
“V port” de elevada
rangeabilidade;
• Motor de passos de 
elevada resolução
• Módulo de Controle
para rápidas
mudanças de 
gramatura e 
integração com DCS
Date Author Title
INTERNAL
53
© Metso
NelesAce – Composição do sistema
• Válvula de controle
“V port” de elevada
rangeabilidade;
Date Author Title
INTERNAL
54
© Metso
NelesAce – Composição do sistema
• Motor de passos de 
elevada resolução
Date Author Title
INTERNAL
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© Metso
NelesAce – Composição do sistema
• Módulo de Controle
para rápidas
mudanças de 
gramatura e 
integração com DCS
Date Author Title
INTERNAL
56
© Metso
NelesAce – Princípio de Controle
• Válvula de controle tipo “V” port 
de alta rangeabilidade;
• Atuador de elevada resolução
(motor de passos);
• Controle por pulsos de 
frequência dependendo da
intensidade do erro (pulsos de 
2; 1; ½ ou ¼ )
Date Author Title
INTERNAL
57
© Metso
NelesAce – Resultados Caso Real
Date Author Title
INTERNAL
58
© Metso
CONFIDENTIAL - DRAFT
company/metso metsogroup metsoworldmetsoworld metsogroup
www.metso.com