Válvulas de control

1. Experiencias Compartidas: Válvulas de control
¿Qué consecuencias trae una válvula de control mal dimensionada…
y como detectar esta situación?
Hernán G. A. Silva
Product Manager
E.M.M. & Controls

2. Condición óptima de operación de una Válvula de Control
Zona de
Control
Operación cercana al asiento.
Control Pobre.
Erosión y desgaste prematuro.
Operación con apertura extrema.
Vibración y fatiga de materiales
(vástago).

3. Investigación de SXS sobre válvulas de control en el Mundo
Una investigación a nivel
mundial conducida por el
grupo Spirax Sarco arrojó
recientemente resultados
sorprendentes sobre las
válvulas de control para
vapor…

4. Proceso de intercambio térmico en zona de producción
Nuestro proceso:
Intercambio térmico con vapor.
Reducción de presión de 6 a 4
barG
Caudales: 1.500Kg/h – 250Kg/h

5. ¿Cómo se llega a un sobre-dimensionamiento en una Válvula de Control?
Hemos calculado que se requiere una
capacidad en la válvula que lo
comanda de CV=50
Ingeniería toma un +25% para
“cubrirse” en condiciones máximas de
operación… CV=62,5
El proveedor de válvulas de control
usa un +20% como “factor de
seguridad” para que la válvula no
quede “chica” CV=75
Cuando se busca el modelo de válvula, se
selecciona CV=104 dado que CV=73 es inferior a
lo estimado, y siempre se recomienda que la
válvula exceda “un poco” la capacidad.
Veamos nuestro proceso de intercambio térmico con reducción de presión y consumos entre 250Kg/h y
1.500Kg/h
De esta manera hemos seleccionado una válvula con una capacidad del 208% de lo que requería realmente el proceso…
la selección correcta hubiera sido CV=53… veamos ahora las condiciones de operación que tendrá esta válvula sobre-
dimensionada

6. Condiciones de Operación en términos de la válvula
Control pobre.
Daños por erosión en
obturador y asiento.
Casi 47% de la capacidad de
regulación de la válvula inutilizada.
¡En lugar de tener un 60% de regulación
disponible, sólo se dispone de un 27%!
… y la válvula COSTÓ MAS CARA
Esto es más dinero por menos…

7. ¿Este sobre-dimensionamiento tiene consecuencias?
El sobre-dimensionamiento de
estas válvulas tiene impacto
directo en…

8. Consumo de vapor de un proceso de intercambio térmico
Tiempo
t
Caudal
Q
Tiempo
t
Temp.
T
Temp.
ambiente
Caudal
inicial
(arranque)
Set Point Temp.
ZONA DE CONTROL
PRECISO
CAUDAL DE
MANTENIMIENTO
NOTA: El caudal de
mantenimiento representa en
muchos casos el 20% o
menos del caudal Inicial… en
nuestro caso es un 16%
NOTA 2: Esta zona de
trabajo de “control
preciso” es donde
transcurre el 99% del
tiempo de proceso, y es
justamente donde debo
controlar con la máxima
precisión y eficiencia.

9. Consecuencias en términos de Control y Calidad del Producto
Set Point Temp.
En funcionamiento, la válvula de control se comporta como ON-OFF,
pues debe modular en un 6% de su apertura y cualquier cambio
solicitado por el controlador, por mínimo que sea permite/restringe el
paso de gran caudal debido a su gran capacidad (CV).
Esto “dispara” la variable controlada (temperatura) hacia arriba o hacia
abajo, complicando en sobremanera al lazo PID y su control del proceso.
Este comportamiento de inestabilidad
en la temperatura del proceso, puede
afectar seriamente la calidad del
producto…dado que los picos de la
variable de proceso (overshoot) suelen
ser altos y los valles, suelen ser bajos.
Tiempo
t
Temp.
T

10. Consecuencias en términos de Mantenimiento y Seguridad
Set Point Temp.
Durante los periodos en que la válvula
esté completamente cerrada, se
producirá condensado en el sistema y
cuando la válvula abra, lo impulsará a
gran velocidad produciendo golpe de
ariete (water hammer), produciendo
daño en instalaciones y una condición
insegura de operación.
Tiempo
t
Temp.
T
El movimiento continuo del vástago
producirá un desgaste prematuro de la
empaquetadura (6 meses – 1 año) y una
fuga de vapor a través de ella... Ademas
¡¡¡PIERDE LA CLASE DE CIERRE!!!

11. Consecuencias en términos de Energía y Costo de Posesión
El daño producido en el asiento y el obturador por la
erosión de trabajar con poca apertura y el contacto
continuo entre estas dos piezas, dañará en corto plazo
la clase de cierre muy seriamente, perdiendo
estanqueidad. Esto dejará a nuestra válvula con una
fuga residual y constante de vapor, AÚN ESTANDO
CERRADA.
Esto es una erogación extra de energía y dinero.
La adquisición frecuente de repuestos
para reemplazar empaquetadura,
obturador, asiento y las horas de mano
de obra de personal técnico de
mantenimiento, tiene como
consecuencia un elevado costo de
posesión a este gasto sumamos el de
energía (punto anterior) que trae una
válvula sobre dimensionada.

12. La situación es peor cuando se usa actuadores neumáticos y la válvula está
descalibrada
SPRING 2.0 – 4.0
BAR
En este punto el controlador ya
empieza a aumentar su salida y
se comienza a presurizar el
actuador.
0 bar < Pact. < 2 bar
Se alcanza el mínimo de
temperatura cuando el actuador ya
alcanzó los 2.0 bar de presión y
partir de este momento comienza el
movimiento de apertura del vástago
de la válvula.
2 bar < Pact. < 4 bar
Cuando el controlador solicita el cierre total, a causa del
funcionamiento ON-OFF, se despresuriza por completo
el actuador neumático por acción de su resorte interno.
Pact. = 0
Para iniciar el movimiento de apertura del vástago de la
válvula, se necesita una presión mínima de 2 bar… POR
LO TANTO A PESAR DE LA ORDEN DEL
CONTROLADOR… LA VALVULA AÚN NO RESPONDE.
Cuando el controlador ordena la apertura, hay un tiempo
“muerto” en el que la válvula no se mueve porque el
actuador comienza a presurizarse hasta llegar a los 2
bar.
Durante ese tiempo “muerto”, la temperatura
continúa su descenso… esto acrecienta los “valles”
de temperatura y ante este retraso en la respuesta de
la temperatura, el lazo PID incrementa su salida a una
velocidad mayor, acelerando el posterior pico
“overshoot” y empeorando la estabilidad del
conjunto.
SET
POINT

13. La ZONA DE CONTROL PRECISO
En esta zona de control, debe entregarse al proceso:
ENERGIA INTERCAMBIADA + ENERGIA DISIPADA (PERDIDAS)
Y es por este motivo que este caudal de
mantenimiento representa solo una fracción
del caudal de arranque.
Recordemos que en el arranque como la
temperatura solicitada esta lejos de la
temperatura medida en el proceso, la
válvula de control tendrá una apertura de
100%, dado que se requiere calentar todas
las tuberías, válvulas y equipo de
intercambio térmico
Tiempo
t
Caudal
Q
Tiempo
t
Temp.
T
Temp.
ambiente
Caudal
inicial
(arranque)
Set Point Temp.
ZONA DE CONTROL
PRECISO
CAUDAL DE
MANTENIMIENTO
OUTPUT=100%
SP=120ºC
PV=30ºC

14. ¿Cuánto vapor pasa por la válvula de control…?
mT = 𝟏𝟐 × 𝑲𝑽 × 𝑷𝒆 × 𝟏 − (𝟓, 𝟔𝟕 × (𝟎, 𝟒𝟐 − 𝑿)𝟐)
En donde:
KV = Coeficiente de capacidad de la válvula para ese flujo de
vapor
Pe = Presion de entrada aguas arriba de la válvula
X = Relación de presiones X= Ps / Pe
Ps = Presion de salida aguas abajo de la válvula
El flujo másico total de vapor en KG/H está dado por …

15. Un caso real …
• Presion de entrada 6 barG
• Presión de salida 4 barG (lo miro en manometro o en el setpoint del
controlador)
• KV = 36 (Valvula de 2”)
• Caracteristica de la válvula Eq%
• Observo que en régimen nominal la carrera está en un 25%
mT= 𝟏𝟐 × 𝑲𝑽 × 𝑷𝒆 × 𝟏 − (𝟓, 𝟔𝟕 × (𝟎, 𝟒𝟐 − 𝑿)𝟐)
De la fórmula de flujo másico recordamos
que el flujo es porporcional al KV por lo
tanto…
𝒎 = 𝒎𝑻 × 𝟏𝟐%
Haciendo los números…
• KV=36
• Pe=6 barG
• Ps=4 barG
• X=0,66
• mT= 2.098 kg/h
m=252 kg/h

16. Entonces… ¿¿¿qué válvula sería la indicada para el proceso???
KV= 𝒎 ÷ (𝟏𝟐 × 𝑷𝒆 × 𝟏 − (𝟓, 𝟔𝟕 × (𝟎, 𝟒𝟐 − 𝑿)𝟐))
Haciendo el camino inverso… quisiera que la válvula opere al 50% de su capacidad en régimen para tener
respuesta de regulacion hacia arriba y hacia abajo… entonces, la valvula va a trabajar con una apertura de
77% para los 252 kg/h
Voy a calcular un KV para que permita
pasar 500 kg/h de vapor al 100% de la
capacidad.
KV=8,58

17. CONCLUSIÓN …. !
KV calculado= 8,58 … KV seleccionado = 10

18. TIPS FINALES CON RESPECTO A LA CARACTERÍSTICA Y LA CARRERA…
Si la válvula tiene característica Equi%...
Debe trabajar con aperturas de entre 65% - 80%
para poder controlar correctamente…
ya que representa el 50% de su capacidad de caudal

19. Diferentes tipos de procesos, diferentes necesidades
Tiempo
t
Set Point Temp.
Temp
ºC
Enfriar
Calentar
Lavado
CIP
Cuando nuestro proceso es por lotes (batch process), tenemos por lo general 4 instancias de tiempo...
Proceso
1. El calentamiento: Dura hasta que todos los equipos y sistemas alcanzan la temperatura de proceso, en esta fase el calor entregado al sistema
es máximo, así como el caudal de vapor.
2. El proceso propiamente dicho: En el cual entregamos energía al produco en proceso.
3. El enfriamiento: Cesa el flujo de vapor y todos los equipos y sistemas pierden temperatura hasta alcanzar la temperatura segura indicada por el
equipo de EHS de planta.
4. Lavado CIP: En este proceso se lava y desinfectan cañerías y equipos para producir el siguiente lote de manera higiénica y segura.
PROCESO POR LOTES

20. Diferentes tipos de procesos, diferentes necesidades
Tiempo
t
Set Point Temp.
Temp
ºC
Enfriar
Calent
ar
Lavado
CIP
Supongamos los siguientes tiempos de proceso:
Proces
o
• Calentamiento: 1 hora
• Proceso: 2 horas
• Enfriamiento: 2 horas
• Lavado CIP: 1 hora
• TOTAL: 6 hs
• PROCESOS DIARIOS: 4
• PROCESOS MENSUALES: 120
PROCESO POR LOTES

21. Cuando el tiempo de arranque es crítico → SPLIT RANGE (Rango partido)
1. Comienza abriendo la válvula pequeña.
2. Antes de finalizar su apertura, comienza a abrir la válvula grande.
3. Cuando se alcanza la temperatura, el controlador comienza a bajar
su salida
4. Comienza el cierre de la válvula grande primero.
5. La vávlula grande cierra por completo.
6. La modulación fina queda ahora a cargo de la válvula pequeña.

22. Diagnóstico de posibles problemas de sobre-dimensionamiento en válvulas de
control
• ¿La temperatura del proceso es inestable?
• ¿Hay fugas de vapor por los vástagos de las válvulas?
• ¿Se escuchan golpes en la tubería frecuentemente?
• ¿Se nota la válvula muy cerrada durante su operación
en régimen?
• ¿En necesario darles mantenimiento con bastante
frecuencia?
• ¿Cuánto tiempo hace que no calibra el cero y el rango
de sus válvulas de control?

23. Experiencias Compartidas:
Cuando una única válvula de control no es suficiente

24. El cliente fabrica alimento balanceado para nutrición animal, y produce unas 180 recetas
diferentes.
La válvula de control que tiene instalada actualmente funciona bien para las recetas que llevan
mucha humedad pero se vuelve incontrolable para las que menos llevan, ocasionando problemas
en el producto.
Se habia instalado una válvula de control spiratrol con un interno micro-flujo, pero el caudal de
máxima era insuficiente para cierto producto.
Se reemplazo luego el conjunto asiento-obturador por un interno de KV 4,6, ahora la condicion de
funcionamiento para otro producto lleva la válvula a operar en un 15% de su carrera y no regula
correctamente para la precisión de caudal que necesita la aplicacion.
Dosificación de agua en extrusora
El caso…

25. Requerimientos de la aplicación:
• Producto con menor humedad: 95 Kg/h de agua en su caudal mínimo
• Producto con mayor humedad: 975 Kg/h de agua en su caudal máximo
• Presiones de entrada: 3 barG
• Presiones de salida: 2 a 2,4 barG
Se proponen DOS válvulas de control gemelas con un CV=1,2 para conseguir un CV total de 2,4.
La propuesta de redimensionamiento estima un 53% de apertura en un CV=1,2 para el caudal
minimo (95 Kg/h)
Ambas valvulas al 85% de su capacidad permiten el paso de 1100 Kg/h de agua.
RESULTADO: El arreglo de rango partido responderá desde un caudal de 40 Kg/h hasta 1200 Kg/h
de agua, cubriendo ampliamente la zona de trabajo requerida por el cliente.
Dosificación de agua en extrusora
¿Cuál era el requerimiento?

26. Dosificación de agua en extrusora
¿Cómo se dimensionó?
95 – 975 Kg/h

27. El arreglo de rango partido responderá desde un caudal de 40 Kg/h (20% de apertura de
una válvula) hasta 1200 Kg/h (90% de apertura de ambas válvulas) de agua, cubriendo
ampliamente la zona de trabajo requerida por el cliente por debajo y por encima.
Dosificación de agua en extrusora
¿Cómo responderá el cuadro?
NOTA IMPORTANTE: NO SE REQUIEREN DOS CONTROLADORES NI
TAMPOCO UN CONTROLADOR CON LA FUNCION SPLIT-RANGE…
EL LAZO PARTIDO LO HACE UNA FUNCION DEL POSICIONADOR
SP7-10… EL PLC/CONTROLADOR NI SE ENTERA QUE SE TRATA DE
UN LAZO PARTIDO

28. Dosificación de agua en extrusora
¿Cómo funciona la apertura con el lazo partido?
%
Capacidad
I en el lazo
de control
4mA 10mA 12mA 20mA
La apertura de la
segunda CV inicia
cuando la primera
ronda un 80% SP7 CV 1
SP7 CV 2
0%
100%
0%
100%

29. En un proceso de descompresión de autoclaves para secado, se requiere evacuar el vapor
luego de su utilización lo más rápido posible, cumpliendo con la legislación sin ventearlo a
la atmósfera. A su vez se requiere controlar la temperatura del agua que ingresa a la torre
de enfriamiento para evitar daños en dicho equipamiento.
Autoclave
Válvula Manual
Intercambiador 1
Intercambiador 2
Tanque Flash
Torre de Enfriamiento
Bomba
Experiencias Compartidas:
Cuando controlar una única variable no es suficiente

30. Se propone la siguiente solución: Válvula de control automática para la descompresión operada por
un sistema de control en cascada con doble entrada y una única salida, monitoreando temperatura en
dos puntos críticos, a la salida de agua de sendos intercambiadores a fin de proteger la torre de
enfriamiento.
Autoclave
Válvula de Control Automática
Torre de Enfriamiento
Bomba
Intercambiador 1
Tanque Flash
Intercambiador 2
TEMP. AGUA
Interc. 1
TEMP. AGUA
Interc. 2
SALIDA DE
CONTROL

31. ¿Cómo funciona el control en cascada?
SLAVE MASTER
SALIDA TEMPERATURA 1
TEMPERATURA 2
REMOTE SP
Existen dos formas de sacar de su equilibrio a un sistema de control y obligarlo a trabajar
nuevamente:
1 – Cuando se modifica su SET POINT (SP) o “La condición solicitada.”
2 – Cuando se modifica la PROCESS VALUE (PV) o “Variable de Proceso.” y ya no coincide
con su SP.
El control en cascada se basa en lograr que sendas variables monitoreadas modifiquen
estos dos parámetros en el funcionamiento de todo el sistema.

32. SLAVE MASTER
SALIDA
(BAJA)
TEMPERATURA 1
(SUBE) PV
SIN VARIACION
REMOTE SP
(BAJA)
PV > SP !!!
PV > SP !!!
RESULTADO: Se reduce el
caudal de vapor ingresando
en los intercambiadores, y
resulta en un descenso en la
temperatura del agua que
circula por ellos.
SP FIJO SETEADO
POR OPERADOR
SP FIJO SETEADO
POR OPERADOR
SLAVE MASTER
SALIDA
(SUBE)
TEMPERATURA 1
(BAJA) PV
SIN VARIACION
REMOTE SP
(SUBE)
PV < SP !!!
PV < SP !!!
SP FIJO SETEADO
POR OPERADOR
SP FIJO SETEADO
POR OPERADOR
RESULTADO: Se incrementa
el caudal de vapor
ingresando en los
intercambiadores, y resulta
en un ascenso en la
temperatura del agua que
circula por ellos.
¿Cómo funciona el control en cascada?

33. SLAVE MASTER
SALIDA
(BAJA)
REMOTE SP
SIN
VARIACION
PV = SP ¡Ok!
PV > SP !!!
RESULTADO: Se reduce el
caudal de vapor ingresando
en los intercambiadores, y
resulta en un descenso en la
temperatura del agua que
circula por ellos.
SP SETEADO
POR MASTER
SP FIJO SETEADO
POR OPERADOR
SLAVE MASTER
SALIDA
(SUBE)
PV < SP !!!
SP SETEADO
POR MASTER
SP FIJO SETEADO
POR OPERADOR
RESULTADO: Se incrementa
el caudal de vapor
ingresando en los
intercambiadores, y resulta
en un ascenso en la
temperatura del agua que
circula por ellos.
SIN VARIACION
TEMPERATURA 2
(BAJA) PV
SIN VARIACION
TEMPERATURA 2
(SUBE) PV
REMOTE SP
SIN
VARIACION
PV = SP ¡Ok!

34. Se logra la máxima velocidad de descompresión protegiendo los elementos de la torre de
enfriamiento y se independizan de la “habilidad y buen criterio” del operador.
Autoclave
Válvula de Control Automática
Torre de Enfriamiento
Bomba
Intercambiador 1
Tanque Flash
Intercambiador 2
TEMP. AGUA
Interc. 1
TEMP. AGUA
Interc. 2
SALIDA DE
CONTROL
Proceso optimizado mediante el control adecuado…

35. ¿Consultas?

36. ¡Muchas gracias por su atención!