Pour optimiser le fonctionnement d'une régulation
Si
la vanne est un élément d'une boucle de régulation l'évolution
du gain global du procédé doit être idéalement maintenu dans une plage
étroite pour faciliter l'action du régulateur et obtenir une meilleure
réponse dynamique. Il est
souvent recommandé de limiter le ratio entre le gain maxi et le gain
mini à 4 (typiquement entre 0,5 et 2). Concrètement la courbe
caractéristique du système (variable régulée en fonction de l'ouverture
de la vanne) doit s'approcher d'une évolution linéaire.
Le comportement global du procédé ne dépend pas seulement de la vanne
mais aussi des autres éléments (pompes, tuyauteries, filtres,
échangeurs, ...) qui peuvent aussi influer sur le débit par leur perte
de charge, leur capacité de pompage ou d'échange de chaleur.
Les courbes de débit caractéristiques des vannes sont présentées en supposant
une différence de pression constante. Ce n'est pas toujours le cas dans
les applications réelles. Par exemple si le circuit dans lequel le fluide débite
présente une perte de charge significative, la différence de pression
disponible pour la vanne ira en diminuant avec l'augmentation de débit.
La vanne n'est alors plus seule à influencer sur le débit.
Exemple de régulation de débit dans un circuit résistant
Si on considère le cas simple d'une régulaton de débit:
Si
la perte de charge du circuit hors la vanne est faible, la perte de
charge de la vanne sera constante; il sera préférable de d'utiliser une
vanne ayant une caractéristique linéaire.
Si la perte de charge du
circuit hors la vanne est important ou si la pression amont est générée
par une pompe, la perte de charge disponible pour la vanne diminuera
lorsque le débit augmentera. Le graphe ci-contre montre qu'alors, en utilisant une
vanne ayant une caractéristique égal pourcentage, la courbe de débit
caractéristique du système se rapproche d'une évolution linéaire. La
meilleure combinaison sera obtenu avec, au point de fonctionnement
nominal, une perte de charge sur la vanne de l'ordre de la moitié de la
perte de charge du circuit hors vanne (autorité de la vanne = 0,33).
Autorité de la vanne
On exprime
l'influence relative de la vanne par le ratio:
ΔPv / (
ΔPv +
ΔPc)
avec:
ΔPv: perte de charge dans la vanne
ΔPc: perte de charge du reste du circuit
Ce ratio est communément appelé "autorité de la vanne".
Cette expression, assez obscure en français résulte d'une traduction
paresseuse de l'expression anglo-saxone "valve authority" qu'on peut
aussi traduire par
pouvoir
de contrôle de la vanne.
En
effet plus la part de perte de charge prise par la vanne est grande,
plus grand sera l'effet de ses variations sur le débit global. On
recommande souvent une valeur comprise entre 0,2 et 0,5.
Exemple de régulation de température
Le
but final d'une boucle de régulation est souvent l'ajustement d'une
variable autre qu'un débit (presion, température, niveau,
concentration, ...). Il s'agit alors de considérer la relation
indirecte entre ouverture de la vanne et valeur du paramètre à réguler.
Considèrons un cas de régulation de température
d'un fluide froid en agissant sur le débit d'un fluide chaud alimentant
un
échangeur. Si l'augmentation de température du fluide froid
est proportionelle au débit de fluide chaud pour les faibles débits,
elle devient limitée par la capacité de l'échangeur pour les débits
plus élevés. La relation entre les deux variables a une forme plutôt
exponentielle.
L'utilisation
d'une vanne de caractéristique linéaire conduirait à reproduire cette
non linéarité. L'utilisation d'une vanne à caractéristique égal
pourcentage est préférable car elle tend à rendre l'évolution de
l'augmentation de température en fonction de l'ouverture de vanne plus
proche d'une évolution linéaire, avec une variation du gain contenue
dans une plage acceptable.
Exemple de régulation de débit de décharge
Il
est des situations où la différence de pression disponible pour la
vanne augmente avec le débit. Ceci est dû à des circonstances
extérieures à la vanne. La pression aval peut être plus basse ou la
pression amont plus élevée lorsque le besoin en débit est plus grand.
C'est une situation rencontrée entre autres quand la vanne doit
décharger un réseau amont.
Si le rapport maxi/mini des différences
de pressions disponibles est grand (>2), on préfèrera utiliser une
vanne à ouverture rapide, car combinée avec l'évolution du procédé,
elle provoquera une évolution globale du système plus proche d'une
évolution linéaire.
Récapitulatif des situations rencontrées
Réglage de débit
|
Evolution de la pression différentielle sur la vanne |
Courbe caractéristique recommandée |
|
ΔP constante |
linéaire |
La pression
différentielle sur la vanne diminue avec l'accroissement du débit |
ΔP à débit mini / ΔP à débit maxi < 5 |
linéaire |
ΔP à débit mini / ΔP à débit maxi > 5 |
égal pourcentage |
La pression
différentielle sur la vanne augmente avec l'accroissement du débit |
ΔP à débit maxi / ΔP à débit mini < 2 |
linéaire |
ΔP à débit maxi / ΔP à débit mini > 2 |
ouverture rapide |
La plage de débit est faible | La variation de ΔP est grande | égal pourcentage |
La plage de débit est large | | inéaire |
La plage de débits usuels est étroite, mais exceptionellement le débit peut être beaucoup plus important | | égal pourcentage |
La plage de débits usuels est étroite, mais exceptionellement le débit peut être beaucoup plus faible | | ouverture rapide |