Van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, việc điều khiển dòng chảy của nước, hơi, khí hoặc các loại môi chất khác không chỉ yêu cầu van có khả năng đóng mở chính xác mà còn cần đáp ứng tốt với tín hiệu điều khiển từ hệ thống trung tâm. Van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén là một trong những giải pháp được sử dụng phổ biến nhờ tốc độ đáp ứng nhanh, kết cấu phù hợp với môi trường công nghiệp và khả năng kết hợp với bộ điều khiển tự động.

Không giống van vận hành bằng tay, loại van này sử dụng nguồn khí nén để tác động lên bộ truyền động, từ đó thay đổi vị trí đóng mở của van. Khi kết hợp với positioner và các thiết bị điều khiển, van có thể điều chỉnh lưu lượng theo tín hiệu từ hệ thống điều khiển.

Van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén là gì?

Van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén là loại van sử dụng năng lượng từ khí nén để điều khiển cơ cấu đóng mở hoặc điều chỉnh vị trí của van.

Một bộ van khí nén hoàn chỉnh thường gồm hai phần chính:

• Thân van: Là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với môi chất và quyết định đặc tính dòng chảy.

• Bộ truyền động khí nén: Nhận tín hiệu hoặc áp suất khí điều khiển để tạo lực dịch chuyển ty van.

Tùy thiết kế, van có thể sử dụng actuator khí nén dạng màng hoặc dạng piston. Với van điều khiển tuyến tính, chuyển động của actuator thường được truyền trực tiếp đến ty van để nâng hoặc hạ nút van.

Trong thực tế, cụm van còn có thể được tích hợp positioner, bộ lọc – điều áp khí, đồng hồ áp suất, van điện từ và các phụ kiện khác. Nhờ đó, van có thể nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống tự động hóa và duy trì vị trí làm việc theo yêu cầu.

Cấu tạo của van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén

Một van điều khiển khí nén không chỉ bao gồm thân van và bộ truyền động. Để hệ thống hoạt động ổn định, nhiều bộ phận có thể được kết hợp thành một cụm hoàn chỉnh.

Thân van

Thân van là phần chứa các chi tiết điều tiết dòng chảy và tạo ra các cửa kết nối với đường ống.

Tùy môi chất và điều kiện làm việc, thân van có thể được chế tạo từ gang, thép carbon, inox hoặc các hợp kim phù hợp.

Trên thân van thường có các thông tin như kích thước danh nghĩa, cấp áp suất, vật liệu hoặc hướng dòng chảy.

Ghế van và nút van

Đối với van điều khiển dạng cầu, ghế van và nút van là hai bộ phận quan trọng quyết định khả năng điều tiết dòng chảy.

Khi nút van dịch chuyển, tiết diện dòng chảy thay đổi. Nếu nút van tiến gần ghế van, lưu lượng giảm; khi nút van nâng lên, tiết diện mở rộng và lưu lượng có thể tăng.

Hình dạng nút van có thể được lựa chọn theo đặc tính điều khiển mong muốn.

Ty van

Ty van truyền chuyển động từ actuator đến bộ phận đóng mở bên trong thân van.

Khi actuator khí nén thay đổi vị trí, ty van di chuyển theo phương tuyến tính để thay đổi độ mở của van.

Độ chính xác của ty van và hệ thống làm kín xung quanh ty có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng vận hành và độ kín của thiết bị.

Bộ truyền động khí nén

Actuator là bộ phận biến năng lượng khí nén thành chuyển động cơ học.

Đối với actuator dạng màng, khí nén tác động lên màng để tạo lực dịch chuyển ty. Lực này có thể được cân bằng với lực của lò xo tùy theo thiết kế.

Một số loại actuator sử dụng piston để tạo lực lớn hơn, phù hợp với những ứng dụng yêu cầu lực đóng mở cao.

Lò xo

Lò xo thường xuất hiện trong actuator dạng màng. Nó tạo ra lực đối kháng với áp suất khí nén và giúp đưa van về vị trí xác định khi áp suất điều khiển thay đổi hoặc bị mất.

Tùy cấu hình, van có thể được thiết kế theo dạng:

• Air to Open: cấp khí làm van mở.

• Air to Close: cấp khí làm van đóng.

• Fail Open: khi mất khí, van có xu hướng mở.

• Fail Close: khi mất khí, van có xu hướng đóng.

Việc lựa chọn trạng thái an toàn khi mất khí phụ thuộc vào yêu cầu của từng quy trình.

Positioner

Positioner là bộ phận thường được sử dụng với van điều khiển khí nén có yêu cầu điều khiển chính xác.

Thiết bị nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống, sau đó điều chỉnh áp suất khí cấp vào actuator để đưa van đến vị trí mong muốn.

Ví dụ, khi hệ thống yêu cầu van mở khoảng 50%, positioner có thể điều chỉnh lượng khí vào actuator để ty van đạt vị trí tương ứng.

Bộ lọc và điều áp khí

Nguồn khí nén đưa vào van cần đạt chất lượng và áp suất phù hợp. Bộ lọc – điều áp giúp loại bỏ một phần tạp chất, hơi nước và ổn định áp suất khí trước khi đưa đến các thiết bị điều khiển.

Đây là bộ phận quan trọng giúp hạn chế các vấn đề phát sinh do khí nén chứa nước hoặc cặn bẩn.

Nguyên lý hoạt động của van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén

Nguyên lý hoạt động có thể hiểu theo chuỗi:

Tín hiệu điều khiển → Positioner → Khí nén → Actuator → Ty van → Thay đổi độ mở → Điều chỉnh lưu lượng.

Khi hệ thống điều khiển gửi tín hiệu đến positioner, positioner xác định vị trí cần thiết của van.

Sau đó, positioner điều chỉnh áp suất khí cấp vào actuator. Áp suất khí tạo ra lực tác động lên màng hoặc piston.

Lực này làm ty van di chuyển. Khi ty van thay đổi vị trí, nút van cũng dịch chuyển tương ứng trong thân van, làm thay đổi tiết diện dòng chảy.

Khi van cần đóng

Khi tín hiệu điều khiển yêu cầu giảm độ mở về 0%, positioner điều chỉnh khí nén để actuator đưa ty van về vị trí đóng.

Nút van tiến về ghế van và hạn chế dòng môi chất đi qua.

Tùy thiết kế, khi mất nguồn khí, lò xo có thể đưa van về trạng thái đóng để bảo vệ hệ thống.

Khi van cần mở

Khi hệ thống yêu cầu tăng lưu lượng, positioner điều chỉnh áp suất khí vào actuator.

Actuator tạo lực làm ty van dịch chuyển theo hướng mở. Khoảng cách giữa nút van và ghế van tăng lên, tạo tiết diện dòng chảy lớn hơn.

Nếu van được điều khiển tuyến tính, độ mở có thể thay đổi liên tục thay vì chỉ có hai trạng thái đóng hoặc mở hoàn toàn.

Khi cần điều chỉnh lưu lượng

Đây là điểm khác biệt quan trọng giữa van điều khiển và van đóng mở thông thường.

Thay vì chỉ thực hiện hai trạng thái ON/OFF, van điều khiển khí nén có thể duy trì nhiều vị trí trung gian.

Ví dụ, hệ thống có thể yêu cầu van ở mức mở 30%, 50% hoặc 80%. Positioner sẽ liên tục điều chỉnh áp suất khí để giữ ty van tại vị trí tương ứng.

Nhờ đó, lưu lượng môi chất có thể được điều chỉnh theo nhu cầu của quy trình.

Ưu điểm của van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén

Van khí nén có một số đặc điểm phù hợp với môi trường công nghiệp.

Tốc độ đáp ứng nhanh: Khí nén có thể tạo chuyển động actuator nhanh, phù hợp với những hệ thống cần thay đổi trạng thái trong thời gian ngắn.

Khả năng điều khiển tự động: Khi kết hợp positioner và hệ thống điều khiển, van có thể vận hành tự động theo tín hiệu từ PLC, DCS hoặc các thiết bị điều khiển tương ứng.

Phù hợp môi trường công nghiệp: Trong một số khu vực có yêu cầu hạn chế thiết bị điện tại vị trí van, actuator khí nén có thể là một lựa chọn phù hợp tùy thiết kế hệ thống.

Có thể thiết lập trạng thái an toàn: Van có thể được cấu hình để đóng hoặc mở khi mất nguồn khí, giúp hệ thống phản ứng theo yêu cầu an toàn của quy trình.

Van điều khiển khí nén được sử dụng ở đâu?

Loại van này được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp có nhu cầu tự động hóa quá trình điều tiết môi chất.

Hệ thống hơi

Van có thể được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng hơi cấp cho thiết bị gia nhiệt, dây chuyền sản xuất hoặc thiết bị trao đổi nhiệt.

Hệ thống nước

Trong các hệ thống cấp nước, xử lý nước hoặc làm mát, van điều khiển khí nén có thể được dùng để điều chỉnh lưu lượng theo tín hiệu điều khiển.

Nhà máy hóa chất

Van điều khiển được sử dụng để kiểm soát dòng môi chất theo các thông số của quy trình. Việc lựa chọn vật liệu và kiểu van cần phù hợp với tính chất hóa học của môi chất.

Nhà máy thực phẩm và đồ uống

Trong các dây chuyền sản xuất tự động, van có thể được sử dụng để điều chỉnh nước, hơi, khí hoặc các loại môi chất công nghệ khác.

Hệ thống HVAC và thiết bị trao đổi nhiệt

Van điều khiển khí nén có thể được sử dụng để điều chỉnh dòng nước hoặc hơi nhằm kiểm soát nhiệt độ của các thiết bị trao đổi nhiệt.

Những lưu ý khi lựa chọn van điều khiển hoàn toàn khí nén

Để lựa chọn đúng thiết bị, cần xem xét đồng thời nhiều thông số thay vì chỉ dựa vào kích thước đường ống.

Một số yếu tố quan trọng gồm:

• Loại môi chất cần điều khiển.

• Áp suất và nhiệt độ làm việc.

• Kích thước đường ống.

• Lưu lượng cần điều chỉnh.

• Đặc tính điều khiển mong muốn.

• Kiểu kết nối của van.

• Vật liệu thân và các bộ phận tiếp xúc môi chất.

• Áp suất khí cấp cho actuator.

• Kiểu tác động của actuator.

• Trạng thái an toàn khi mất khí.

• Loại tín hiệu điều khiển và positioner sử dụng.

Đặc biệt, cần xác định rõ van được sử dụng để đóng mở hoàn toàn hay điều tiết liên tục. Hai mục đích này có thể yêu cầu cấu hình van và actuator khác nhau.

Kết luận

Van điều khiển hoàn toàn bằng khí nén là thiết bị sử dụng năng lượng khí nén để tạo chuyển động đóng, mở hoặc điều tiết van. Một cụm van hoàn chỉnh thường gồm thân van, ghế van, nút van, ty van, actuator khí nén và có thể tích hợp thêm positioner, bộ lọc – điều áp cùng các phụ kiện khác.

Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên việc biến áp suất khí nén thành chuyển động cơ học, từ đó thay đổi vị trí của ty và bộ phận điều tiết bên trong van. Khi kết hợp với hệ thống điều khiển tự động, van có thể duy trì độ mở theo yêu cầu và điều chỉnh lưu lượng môi chất trong quá trình sản xuất.

Việc lựa chọn van cần dựa trên môi chất, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, kích thước đường ống, đặc tính điều khiển và yêu cầu an toàn của hệ thống. Đây là những yếu tố quyết định van có phù hợp và hoạt động ổn định trong thực tế hay không.

Rất mong các bạn quan tâm và theo dõi yuanan.vn để cập nhật thông tin mới nhất về van điều khiển hoàn toàn!