Đối với các kỹ sư đường ống thì Control valve là một trong những item quen thuộc và cần lưu ý khi thiết kế 3D model.
Control valve có thể được định nghĩa là một loại thiết bị được cung cấp năng lượng để điều chỉnh hoặc điều khiển dòng chảy của chất lỏng (ví dụ như khí, dầu, nước và hơi nước). Nó là một phần quan trọng của vòng điều khiển (control loop) và là một ví dụ về phần tử điều khiển cuối (Final control Element). Cho tới hiện tại, Control valve là phần tử điều khiển cuối phổ biến nhất được sử dụng trong các ngành công nghiệp.
Rõ ràng, control valve là thiết bị thiết yếu đối với bất kì quá trình process nào. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu nhà máy/giàn khai thác bị mất điện? Bạn sẽ không có cách nào để dễ dàng kiểm soát quá trình xử lý oil & gas hoặc các lưu chất khác và có thể dẫn tới những hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho nhà máy/giàn khai thác. Đó chính là lý do tại so việc thiết lập Fail-safe mode cho control valve là cực kì quan trọng.
Biết được cấu tạo và cách thức hoạt động của control valve, sẽ giúp cho các kỹ sư đường ống hiểu rõ hơn bản chất của item này và rộng hơn là giúp cho kỹ sư đường ống có thể hiểu hơn về quá trình điều khiển trong nhà máy/giàn khai thác.
Vậy hãy cùng với Happy tìm hiểu về Control valve và Control valve fail-safe mode.
Bài viết gồm có các phần sau:
Let’s start!
1. Cấu tạo Control valve
Control valve được chia thành 2 phần chính: Body và Actuator. Hiểu một cách đơn giản, Body là phần tiếp xúc với lưu chất, có tác dụng điều chỉnh hoặc điều khiển lưu chất. Actuator là bộ phận điều khiển body.
a. Body
Hình 1: Cấu tạo Control valve (nguồn Realpars)
Body của các control valve có nhiều loại hoặc kiểu dáng khác nhau phụ thuộc và service của đường ống, piping layout và các ứng dụng. Chúng ta có thể chia body của control valve thành 2 nhóm: Linear motion (chuyển động tuyến tính) và Rotary motion (chuyển động xoay). Control valve dạng Linear motion sử dụng chuyển động thẳng của Sliding stem để điều khiển dòng lưu chất (ví dụ: globe valve). Control valve đạng Rotary motion sử dụng phần tử quay trong dòng lưu chất để điều khiển dòng (ví dụ: butterfly valve).
b. Actuator
Actuator là phần tử điều khiển sự đóng hoặc mở của control valve dựa theo tín hiệu điều khiển. Chúng ta có 2 loại actuator là Linear hoặc Rotary actuator, phụ thuộc vào loại body mà chúng ta đang sử dụng. Ví dụ, butterfly valve cần sử dụng Rotary actuator trong khi globe valve hoạt động với Linear actuator. Chúng ta cũng có 3 hệ thống khác nhau để có thể tạo ra các chuyển động Linear và Rotary này, gồm: Pneumatic (khí nén), Hydraulic (thủy lực) và Electrical (điện).
Pneumatic actuator: chuyển đổi khí nén thành Linear motion hoặc Rotary motion
Hydraulic actuator: tương tự như Pneumatic nhưng đối tượng là chất lỏng thay vì khí nén
Electric actuator: sử dụng động cơ để chuyển đổi năng lượng điện thành moment xoắn
Hình 2: Các loại Actuator (nguồn Realpars)
2. Control valve hoạt động như thế nào
Actuator là thiết bị được kết nối với body (valve) thông qua valve stem và cung cấp lực hoặc moment cần thiết để tạo nên Linear motion hoặc Roatary motion, từ đó valve có thể điều chỉnh dòng của lưu chất theo giá trị setpoint.
Hình 3: Mô tả hoạt động của Control valve
Như mình đã nói lúc trước, actuator có thể được điều khiển bằng khí nén, thủy lực hoặc điện. Trong đó loại actuator phổ biến và tin cậy nhất chính là Pneumatic actuator (khí nén).
Control valve hoạt động bằng cách nhận tín hiệu từ controller (ví dụ như PLC hoặc DCS) để hoạt động. Controller sẽ so sánh giá trị flow rate hiện tại với giá trị setpoint. Sau đó controller sẽ đưa ra giá trị output để điều khiển valve làm cho giá trị flow rate tới đúng giá trị setpoint.
Thông thường thì control valve sẽ sử dụng Pneumatic actuator, điều đó có nghĩa là chức năng điều khiển của control valve dựa trên áp suất của khí nén. Khí được thêm vào để mở hoặc đóng valve, tùy thuộc vào cách actuator được thiết lập. Áp suất khí tác động lên piston, diaphragm hoặc lò xo bên trong cơ cấu truyền động, tạo ra lực để di chuyển valve stem. Khi áp suất khí nén thắng lực cản của lò xo, Pneumatic actuator sẽ tạo ra chuyển động của valve stem (Linear motion hoặc Rotary motion), giúp đóng hoặc mở vavle (spring-closed/spring-open).
3. Fail-safe mode
Trong trường hợp bị mất năng lượng hoặc tín hiệu, control valve sẽ trở về trạng thái Open hoặc Closed, đó chính là Fail-safe mode. Fail-safe mode là một biện pháp phòng ngừa an toàn, giúp bảo vệ toàn bộ quá trình process trong các tình huống khẩn cấp. Các loại Fail-safe mode phụ thuộc vào nhiệm vụ mà control valve thực hiện, gồm có:
Fail-Closed (FC): actuator sẽ đóng valve nếu bị mất năng lượng hoặc tín hiệu
Fail-Open (FO): actuator sẽ mở valve nếu bị mất năng lượng hoặc tín hiệu
Trong quá trình hoạt động bình thường, lực của lò xo (spring) bé hơn lực gây ra bởi Pneumatic (hoặc bởi Hydraulic/ Electric) để valve có thể điều khiển dòng chảy. Tuy nhiên, trong tình huống khẩn cấp (mất năng lượng hoặc tín hiệu), lực gây ra bởi khí nén (hoặc thủy lực, điện) không còn, điều này làm cho lực của lò xo thắng thế, giúp cho valve Open hoặc Closed theo đúng yêu cầu từ Process. Hình bên dưới mô tả tổng quan cấu tạo của 2 loại control valve FO và FC.
Hình 4: Fail Open và Fail Closed
a. Fail Open (FO)
Fail Open hay còn gọi là Air to Close, có nghĩa là valve sẽ ở trạng thái Open khi actuator mất tín hiệu hoặc năng lượng. Loại valve này cần phải có áp suất từ khí nén (thủy lực hoặc điện) để luôn giữ valve ở trạng thái Closed. Một khi mất áp suất, valve sẽ tự động trở về trạng thái Open.
b. Fail Closed (FC)
Fail Closed hay còn gọi là Air to Open, có nghĩa là valve sẽ ở trạng thái Closed khi actuator mất tín hiệu hoặc năng lượng. Đây là trạng thái ngược lại so với FO. Loại valve này cần phải có áp suất từ khí nén (thủy lực hoặc điện) để luôn giữ valve trạng thái Open và sẽ tự động chuyển sang trạng thái Closed nếu actuator bị mất năng lượng hoặc tín hiệu.
Như vậy chúng ta đã cùng tìm hiểu tổng quan về Control valve và Control valve Fail-safe mode.
Hẹn gặp các bạn vào tuần sau.