Optimierte Auslegung und Auswahl von Ventilen mit einem

RegelgüteindexOptimized design and selection of valves using a regulation

quality index

Henk Hinssen, iHandl Engineering, Tel. +32 (9) 3440232, henk.hinssen@gmail.com

erschienen in Industriearmaturen Heft 3, September 2009

Vulkan-Verlag GmbH, Essen

Ansprechpartner: W. Mönning Tel. 0201/82002-25, E-Mail: w.moenning@vulkan-verlag.de

32009

Industriearmaturen · Heft 3/2009 · September 247

FACHBERICHTE

ür die Entscheidung, mit welcherVentilauswahl eine bessere Regelgü-

te erzielt werden kann, mussten in derVergangenheit viele, teilweise nicht zu-gängliche Einflussfaktoren im Detail be-rücksichtigt werden, um zu einer ver-gleichbaren Bewertung zu kommen.Mit dem Regelgüteindex erlaubt CON-VAL® 8.0 heute, den Vergleich auf ei-nen einzigen Bewertungsindex CI zu re-duzieren, der dabei auch jede Art vonmodifizierten Grundkenlinien berück-sichtigt. Damit ist eine Grauzone in derVentilkennlinien- und der Kvs-Auswahlpraktisch beseitigt.

Die Regelgütevorhersage wird mittler-weile als nächster logischer Schritt bei

der Verbesserung der Qualität der Pro-zessregelung angesehen. 2008 kamein Diskussionspapier zur Regelgütevor-hersage von Ventilen heraus. Dieses Pa-pier wurde anlässlich der Valve World2008 Conference diskutiert und erör-tert. Seitens der Endnutzer gibt es starkeBestrebungen hin zur Entwicklung einespraktischen und objektiven Leitfadenszur Regelgüte von Regelventilen bis En-de 2009 zu erstellen. Ein Schlüssel-aspekt ist die Verbesserung der Regel-güteanalyse während des Auslegungs-und Auswahlverfahrens.

Der vorgeschlagene Index wurde imletzten Release von CONVAL® imple-mentiert, einem umfassenden Enginee-

ring-Tool für die Mess- und Verfahrens-technik. Die Auslegung und Auswahlvon Ventilen, einschließlich einer gra-phischen Simulation, ist ein wichtigerAspekt dieses Tools. Es ist nun mittler-weile schon seit zwanzig Jahren aufdem Markt und wird von einer weltwei-ten Gemeinde von Endnutzern, Herstel-lern und Ventillieferanten eingesetzt.

Aspekte der RegelgüteSelbstverständlich ist die Regelgütevor-hersage viel mehr als nur ein statischerIndex. Um sämtliche Aspekte in Zusam-menhang mit der Regelgüte zu berück-sichtigen, sollte man das Diskussionspa-pier zur Regelgütevorhersage lesen,

Optimierte Auslegung und Auswahl von Ventilen mit einemRegelgüteindexOptimized design and selection of valves using a regulation quality index

Henk Hinssen

Zuletzt war die Regelgütevorhersage in Fachkreisen immer wieder Gegenstand von Diskussionen und Debatten, und es ist davon auszugehen, dass im weiteren Verlauf des Jahres eine praktische und objektive Anwendungsrichtlinie zur Regelgüte vorgestellt wird, die sich an den Bedürfnissen desEndnutzers orientiert. Im Hinblick auf eine effiziente Suche nach der optimalen Ventilkonfigurationwährend der ersten Phase der Auslegung und Auswahl von Ventilen wurde in CONVAL® 8.0 – dem führenden Auslegungs- und Simulations-Tool der Branche – ein statischer Regelgüteindex vorgestellt [5] und implementiert.

Prediction of regulation quality has recently repeatedly been the subject of discussion and debates,and it can be assumed that a practical and objective application guideline for regulation quality, orientated around the end-user's needs, will be presented during the further course of this year. Witha view to efficient determination of the optimum valve configuration during the initial phase of designand valve selection, a static regulation quality index [5] has been unveiled and implemented inCONVAL® 8.0, the industry's leading design and simulation tool.

F

Industriearmaturen · Heft 3/2009 · September248

FACHBERICHTE

das im vergangenen Jahr bei der Vor-bereitung der Brainstorming Session beider Valve World Conference 2008 [1]herausgegeben wurde.

Der Umstand, dass es international kei-ne anerkannte Definition der Regelgütegibt, macht es noch schwieriger, sichauf eine gemeinsame Sicht dieses The-mas zu verständigen. Das Diskussions-papier bemühte sich jedoch, die Fakto-

prüft werden müssen, um sicherzustel-len, dass das ausgewählte Ventil inner-halb einer akzeptablen Bandbreite derRegelgüte funktioniert. Die im Papiervorgeschlagene Methode fasst diewichtigsten Daten zur Regelgüte in ei-nem einzigen Index zusammen. Durchden Vergleich dieses Index für eine Rei-he möglicher Konfigurationen erhältman in effizienterer Weise die optimaleVentilkonfiguration.

Die Brainstorming Session bei der ValveWorld Conference 2008 ergab die inTabelle 1 wiedergegebene Ranglisteder Bewertungskriterien für die Regelgü-te, die im Verlauf des Verfahrens zurAuslegung und Auswahl zu optimierenist.

Mit Ausnahme der Größe der Antriebs-kraft fasst die vorgeschlagene Methodediese Parameter in einem einzigen In-dex zusammen.

ren zu benennen, die grundlegend dieRegelgüte beeinflussen. Dabei wurdensogar eine Reihe neuer Parameter ein-geführt. Behandelt wurden sowohl stati-sche als auch dynamische Aspekte. Fürdie Auslegungs- und Auswahlphase,die dem Zweck dient, das bestmögli-che Regelventil für eine bestimmte Re-gelanwendung eines Verfahrens zu fin-den, stellte es in tabellarischer Form diewichtigsten Daten zusammen, die ge-

Tabelle 1: Rangliste der Bewertungskriterien für die RegelgüteTable 1: Ranking of evaluation criteria for regulation quality

c)

b)

a)

Bild 1: Prozessdaten a) und Ventildaten b) des Beispiels, c) DurchflussbegrenzungFig. 1: Process data a) and valve data b) for the example, c) flow limitation

Industriearmaturen · Heft 3/2009 · September 249

FACHBERICHTE

Methode des RegelgüteindexDie folgende Methode des Regelgütein-dex wurde vorgeschlagen:

1. Ein statischer Index, der die in Tabel-le 1 angeführten Parameter zusam-menfasst und während des Ausle-gungs- und Auswahlverfahrens opti-miert wird.

2. Ein spezifischer Index für die Durch-fluss-, Druck- (vor und nach dem Ven-til) oder Differenzdruckregelung.

3. Ein spezifischer Index für den kom-pletten Bereich (Folgeregelung), denVolllast-Bereich (Festwertregelung)oder den Teillast-Bereich (Anfahrre-gelung).

4. Ein Regelgüteindex CI, der wie folgtberechnet wird:

5. Ein Index, der zwischen 0 (das heißtdem idealen Sollregelwert) und ei-nem Höchstwert schwankt. Der Ma-ximalwert ist bei den verschiedenenRegelverfahren nicht unbedingt dergleiche, liegt jedoch für sämtlichebefriedigende Fälle der Durchflussre-gelung unter 2.

Implementierung des RegelgüteindexAnhand einer Reihe von Bildschirmaus-drucken wird im Folgenden in CON-VAL® 8.0 die Implementierung des In-dex beschrieben und dokumentiert.Ausgewählt wurde ein Prozessbeispielmit einer Durchflussbegrenzung unter-halb 40 Prozent. Sofern nichts anderesangegeben wird, ist von einer Durch-flussregelung auszugehen. Die Bild-schirmausdrucke wurden der Pre-Re-lease-Version von CONVAL® 8.0 ent-

nommen. Die endgültige Darstellungkann sich dabei noch ändern.

Prozessdaten/Ventildaten/Phänomene

Bild 1a und b zeigt die Prozess- unddie Ventildaten des Prozessbeispiels,Bild 1c die Durchflussbegrenzung imBeispiel.

Regelparameter

Bei Ansicht des Betriebskennlinienfens-ters mit seinen vier Grafiken erscheintnach Anklicken der „Regelung“-Tasteein Dialog-Fenster (Bild 2).

Symbolleiste der Ventilmerkmale/Regelgüteindex

Bild 3 zeigt die Symbolleiste für dieVentilmerkmale.

Bild 2: Dialog-Fenster der RegelparameterFig. 2: Control-parameter dialog window

– geregelte Größe x = (Massen-) Durchfluss– Folgeregelung (kompletter Regelbereich)– Ventilautorität = 0,1– Regelkreis-Verstärkungs-Verhältnis = 4, d. h., das Regelkreis-Verstärkungs-Verhältnis über

den gesamten stabilen Bereich sollte unter 4 liegen, d. h. bei einer Verstärkung zwi-schen 0,5 und 2

– Vorgeschlagene Kennliniencharakteristik = gleichprozentig

Bild 3: Symbolleiste der VentilmerkmaleFig. 3: Symbol bar for valve features

– Geregelte Größe = (Massen) Durchfluss– Empfohlenen Kennlinie = gleichprozentig– Regelgüte-Index CI = 0,76– Analyse-Taste: Ermöglicht den Vergleich verschiedener Konfigurationen – siehe Bild 6– Tuning-Punkt-Taste: Stellt (dx/ds)x auf dem entsprechenden Quadranten dar – siehe Bild 5

x = geregelte Größes = Ventilhub, Ventilöffnung r = Verhältnis der Steigungenn = Anzahl der Datenpunkte, die für

den Index verwendet werdenmin/max

Bereich Regelung Min Max

Gesamter Folgere-Arbeitsbereich gelung min* 100

Volllast- Festwert-Bereich regelung 50 100

Teillast-Bereich Anfahrregelung min* 50

min* = kleinster stabiler Wert der gere-gelten Größe

(1)

(2)

wenn

(3)

dann

wenn

dann

Industriearmaturen · Heft 3/2009 · September250

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Verstärkungskurven

Durchflusskennlinien

Bild 4 zeigt als Screenshot das Fensterder Durchflusskennlinien. Man erkenntdie Darstellung von drei Graphiken:a) inhärente Ventilkennlinie Cv,b) installierte Durchflussbetriebskennli-

nie q sowiec) tatsächliche Verstärkung dq/ds,alle über dem Hub (Öffnung) s/s100dargestellt.

Bild 4: Fenster der DurchflusskennlinienFig. 4: Flow-characteristics curve window

Bild 5: Fenster der AnlagenkennlinienFig. 5: System characteristics curve window

Angegeben werden drei Betriebspunk-te: maximaler (1), normaler (2) und mi-nimaler Durchfluss (3). Ebenfalls ange-zeigt wird der optimale Tuning-Punkt Tzur Einstellung der Regeleinrichtung, sodass der Regelkreis am besten auf einenstabilen Arbeitsbereich abgestimmt ist.Der Bereich, in dem das Verstärkungs-verhältnis im gesamten stabilen Bereichunter dem angegebenen Wert liegt,wird farbig angezeigt (siehe auch Bild 2). Grün bedeutet: Die Verstärkung

sich befindet sich innerhalb der spezifi-zierten Grenzwerte für stabile Rege-lung. Rot: Die Verstärkung befindet sichinnerhalb der spezifizierten Grenzwerte(Risiko von Instabilität).

Anlagenkennlinien

Bild 5 zeigt das Fenster der Anlagen-kennlinien.

Die Verstärkungskurve wird dargestellt,wenn die Tuning-Punkt-Taste gedrücktwird (siehe a. Bild 3 oben). Wenn derCursor sich am Tuning-Punkt befindet,deckt die dunkelgrüne Leiste unterhalbder Graphik alle drei Arbeitspunkte ab.

Die Kurve wird verwendet, um den Re-gelgüteindex zu berechnen – wie in derGrundlage der CI-Berechnung vorgege-ben. In farbiger Schattierung wird derBereich dargestellt, in dem das Verstär-kungsverhältnis im gesamten stabilenBereich unter dem im Bild 2 angege-ben Wert liegt.

Kreuztabelle zum Regelgüteindex

Bild 6 zeigt die Kennliniencharakteristikgegenüber den Regelbereichen für die-ses Beispiel. Man kann sie aufrufendurch Anklicken der Analyse-Taste aufder Ventil-Symbolleiste (siehe Bild 3).

Wie zu sehen ist, schwankt der Indexfür den gesamten Arbeitsbereich zwi-schen 0,58 bei der gleichprozentigenKennlinie und 1,42 bei der linearenKennlinie. Im vorliegenden Fall sind dieAbweichungen bei den Volllast- undTeillastbereichen vergleichbar.

Es kann auch die Regelbarkeit verschie-dener Fälle analysiert werden.

Beispiele für OptimierungMit Hilfe von CONVAL® 8.0 wurde ei-ne Reihe von Prozessbeispielen für Re-gelventile analysiert und optimiert.Nachfolgend werden einige Optimie-rungsbeispiele zusammengefasst.

Ein Fall befasst sich beispielhaft mit ver-schiedenen Konfigurationen – sowohlHubventilen als auch Drehkegelventilenunterschiedlicher Hersteller – in einemeinfachen Prozessbeispiel. In Tabelle 2werden die Ergebnisse des vollständi-

Bild 6:Kreuztabelle zum Regel-güteindexFig. 6:Cross-reference table forregulation quality index

Industriearmaturen · Heft 3/2009 · September 251

FACHBERICHTE

gen Regelbereichs für die Durchflussre-gelung und für die Differenzdruckrege-lung dargestellt.Der Index schwankt zwischen 0,44und 1,50 bei der Durchflussregelungund weist etwa die gleichen Werte beider Differenzdruckregelung auf. DieFarbunterscheidung basiert auf einer re-

lativen Bewertung in der Bandbreite derzu vergleichenden Werte, das heißtGrün ist die beste Regelgüte, rot dieschlechteste Regelgüte für diesen Ver-gleichsfall.

Um das Ganze noch weiter zu optimie-ren, sollte neben der Regelgüte auch

die Zuverlässigkeit analysiert werden.Der Autor arbeitet gegenwärtig mit demCONVAL-Team zusammen, um ein Mo-dell für einen Zuverlässigkeitsindex zuerstellen.

In einem weiteren Prozessbeispiel wirdin einer Kreuztabelle die Abhängigkeitdes Regelgüteindex von der Ventilkennli-nie und vom Nenndurchflusskoeffizien-ten Cv100 für die Durchfluss-, Druck-und Differenzdruckregelung zusammen-gefasst. In diesem Prozessbeispiel unterschieden sich die optimalen Wertefür die drei Regelmodi signifikant – Tabelle 3.

In den Screenshots in Bild 7 werden dieVerstärkungskurven für die Durchflussre-gelung vor und nach der Optimierungverglichen.

SchlussfolgerungIn CONVAL® 8.0 wurde ein statischerRegelgüteindex entwickelt, implemen-tiert und validiert, um die Ventilkonfigu-ration während der Auslegungs- undAuswahlphase zu optimieren. Es wur-den zahlreiche Prozessbeispiele heran-gezogen, um sicherzustellen, dass derIndex zuverlässig die Regelgüte bei derDurchfluss-, Druck- und Differenzdruck-druckregelung vorhersagt. Mit Ausnah-me der Kapazität der Antriebskraft wur-den sämtliche wichtigen Parameter fürdie Optimierung der statischen Regel-güte herangezogen.

Dieser Index muss als eine Art Aus-

Tabelle 2: Ergebnisse des vollständigen Regelbereichs für die Durchflussregelung und für die DifferenzdruckregelungTable 2: Results of complete regulation range for flow regulation and differential-pressure regulation

Bild 7: Verstärkungskurven für die Durchflussregelung: a) vor und b) nach der OptimierungFig. 7: Amplification curves for flow regulation: a) prior to and b) after optimization

lineare Strömung, 6”,Kvs 194, CI 1.4modulierte Strömung, 4”,Kvs 86, CI 0.37

a) b)

Industriearmaturen · Heft 3/2009 · September252

FACHBERICHTE

gangspunkt für die Vorhersage der Re-gelgüte von Regelventilen angesehenwerden. Man ist gegenwärtig auch da-bei, einen Index zur Vorhersage der Be-triebszuverlässigkeit zu erarbeiten undzu implementieren.

Detaillierte Informationen und Anleitun-gen erhält der interessierte Leser in den Conval College Controllability Videos [3].

CD gewünscht?Bitte wenden Sie sich an sales@firstgmbh.de

oder besuchen Sie die Internetseite www.conval.de

Literatur

[1] Control Valve Controllability PredictionWorkshop Discussion Paper – 12 pages –05 June 2008 – WIB Control Valve Work-group

[2] CONVAL® College Controllability Over-view video/screencast – July 2009

[3] CONVAL® College Videos – Masteringvalve controllability chapter 11 - 7 videos– September 2009

[4] CONVAL® Cases Databank – September2009

[5] Valve World presentation in Suzhou, China – September 2009

DanksagungDer Autor möchte seinen besonderen DankDirk Hackländer und Andreas Vogt von der F. I. R. S. T. GmbH für die rasche Implementie-rung dieser Methode in CONVAL® 8.0 aus-sprechen sowie Holger Siemers für die Prüfungeiner Vielzahl von CONVAL®-Beispielen, umsicherzustellen, dass die Index-Vorhersagenden aktuellen Regelbarkeitserfahrungen ge-mäß der Conval Cases Databank entspre-chen.

Henk HinsseniHandl EngineeringTel. +32 (9) 3440232henk.hinssen@gmail.com

Tabelle 3: Abhängigkeit des Regelgüteindex von der Art der RegelungTable 3: The regulation quality index as a function of regulation mode