Die präzise Dimensionierung von Ventilantrieben ist entscheidend für den einwandfreien Betrieb automatisierter Ventile unter Prozessbedingungen in der Prozessindustrie. Bei der Auswahl eines elektrischen Ventilantriebs müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, um den passenden Antrieb für die jeweilige Prozessanwendung zu finden.
Die Aktuatoren sind für die Bewegung und das Halten einer bestimmten Position im Schließelement eines Ventils verantwortlich. Entspricht der Aktuator nicht den Prozessanforderungen und der Konstruktion, kann dies die Ventilfunktion beeinträchtigen. Die Bewertung der Anforderungen an Aktuatoren ist daher ein wichtiger Schritt in der Auswahl eines geeigneten Ventilaktuators für eine Prozessanwendung.
Die hohen Kosten falscher Dimensionierung: Sicherheitsrisiken und Bauteilverschleiß
Aktuatoren werden bei der Auslegung von Ventilsystemen oft vernachlässigt, obwohl sie die Ventilbewegung und die Endposition von Kugeln, Scheiben oder Kegeln direkt steuern. Die korrekte Dimensionierung des Ventilaktuators gewährleistet, dass dieser unter allen Betriebsbedingungen das erforderliche Drehmoment zum Bewegen und Schließen des Ventils aufbringen kann.
Wenn die Wahl des Stellantriebs nicht den Systemanforderungen entspricht, können Ventile nicht vollständig öffnen oder schließen. Dies kann zu Sicherheitsrisiken wie Leckagen durch unvollständige Abdichtung, Überdruckereignissen oder unkontrolliertem Durchfluss führen. Zu kleine Stellantriebe können unter Last blockieren, während zu große Einheiten die Ventilkomponenten übermäßig belasten können.
Eine falsche Dimensionierung beschleunigt zudem den Verschleiß interner Bauteile. Zahnräder können abnormalen Belastungen ausgesetzt sein, was zu Zahnverschleiß oder Fehlausrichtung führen kann. Wiederholte Überlastung kann die Reibung erhöhen, den Drehmomentbedarf steigern und die Lebensdauer der Komponenten verkürzen.
Bei der Auswahl sollte das Gesamtsystem und nicht nur das Ventil berücksichtigt werden. Eine sachgemäße Bewertung gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb, reduziert Sicherheitsrisiken und begrenzt vorzeitigen Verschleiß, indem sichergestellt wird, dass der Stellantrieb über den gesamten Betriebsbereich des Ventils ein kontrolliertes und ausreichendes Drehmoment liefert.
Schritt 1: Anpassung der Betätigungsfunktion an den Ventiltyp (Nuancen zwischen Vierteldrehung und Mehrdrehung)
Die Auswahl von Aktuatoren beginnt mit der Analyse der Anwendungsanforderungen des Systems. Industriearmaturen werden für vielfältige Funktionen in einem System eingesetzt, beispielsweise zur Durchflussregelung, zur Rohrleitungsabsperrung oder zum Schutz von Anlagen.
Damit die Funktionen der Industriearmaturen realisiert werden können, sind die Aktuatoren erforderlich, einschließlich elektrische Mehrgangantriebe Die für Schieber- oder Kugelventile verwendeten Stellantriebe müssen die Bewegung der Schließelemente der Ventile steuern können. Denn die Schließelemente – ob Kugel, Kegel oder Scheibe – müssen auf die Bewegung der Stellantriebe reagieren, um den Durchfluss im System ordnungsgemäß zu regeln.
Die Prozessbedingungen, beispielsweise Druck, Temperatur und Durchflussrate, beeinflussen die Funktion der Industriearmaturen im System. Diese Bedingungen wirken sich auch auf die auf die Schließelemente der Armaturen wirkenden Kräfte aus.
Schritt 2: Berechnung der Drehmomentanforderungen unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors (Lossdrehmoment vs. Betriebsdrehmoment)
Die Prozessbedingungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Aktuatoren. Druck, Temperatur und Durchflussrate können die zum Bewegen und Halten des Ventilschließelements erforderliche Kraft beeinflussen, was bei der Berechnung des Drehmoments elektrischer Aktuatoren berücksichtigt werden muss.
Werden die Prozessbedingungen bei der Auswahl des Stellantriebs nicht berücksichtigt, liefert dieser möglicherweise nicht genügend Drehmoment, um das Ventil zu bewegen.
Bei der Auswahl von Aktuatoren werden üblicherweise zwei Drehmomentbedingungen herangezogen.
Das Losbrechmoment ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um ein Ventil aus der vollständig geschlossenen Position zu bewegen. In dieser Position ist es aufgrund der Reibung zwischen den Oberflächen und den internen beweglichen Teilen normalerweise schwieriger, ein Ventil zu bewegen.
Das Anlaufdrehmoment ist definiert als das Drehmoment, das erforderlich ist, um ein Ventil weiter zu bewegen, nachdem es sich aus einer vollständig geschlossenen oder sitzenden Position in Bewegung gesetzt hat.
Diese beiden Drehmomentwerte können je nach Prozessbedingungen variieren. In manchen Fällen können hoher Druck und hohe Temperatur das zum Bewegen eines Ventils erforderliche Drehmoment beeinflussen.
Folgende Bedingungen können das von einem Ventil benötigte Drehmoment beeinflussen:
| Bewertungsfaktor | Beschreibung | Bedeutung für die Aktuatorauswahl |
| Prozessdruck | Auf das Ventil innerhalb des Systems wirkt Druck | Kann die zum Bewegen des Ventils erforderliche Kraft erhöhen |
| Betriebstemperatur | Temperaturbedingungen innerhalb des Prozesses | Kann die Aktuatorkomponenten und die Ventilreibung beeinträchtigen. |
| Durchflussrate | Flüssigkeitsbewegung durch das Ventil | Kann die Ventilpositionierungskräfte beeinflussen |
| Ventilfunktion | Funktion des Ventils (Durchflussregelung, Absperrung, Schutz) | Ermittelt die Betriebsanforderungen an den Aktor |
Diese Bedingungen müssen bewertet werden, um sicherzustellen, dass der gewählte Aktor ein ausreichendes Drehmoment zur Bewegung und Positionierung des Ventils in der Betriebsumgebung bereitstellen kann und gleichzeitig einen geeigneten Aktor gewährleistet. Sicherheitsfaktor.
Schritt 3: Bestimmung des Arbeitszyklus und des Leistungsbedarfs (Vermeidung einer Motorüberhitzung)
Bei der Auswahl des Stellantriebs müssen Steuersignale, Stromversorgung und Ventil-Tastverhältnis berücksichtigt werden. Der Stellantrieb sollte Relais-, Analog- und Digitalprotokolle wie Modbus, HART und Profibus unterstützen und über eine Positionsrückmeldung für eine präzise Steuerung verfügen.
Der Betriebszyklus eines Ventils definiert die Nutzung in Betätigungen pro Stunde oder Tag. Beispielsweise entsprechen 12 Öffnungs-/Schließvorgänge pro Stunde einer Anwendung mit hoher Auslastung. Eine höhere Auslastung erhöht die Start-Stopp-Frequenz, die Stromaufnahme und die Wärmeentwicklung.
Die Betriebsart bestimmt direkt die Motorauswahl. Für den Betrieb mit hoher Belastung sind Motoren mit höherer thermischer Belastbarkeit, geeigneter Isolationsklasse und Anlauffrequenz erforderlich, um eine Überhitzung zu vermeiden. Für den Betrieb mit niedriger Belastung können Standardmotoren verwendet werden.
Die meisten elektrischen Stellantriebe verfügen über einen thermischen Schutz, der bei 120 °C ± 5 °C auslöst und sich nach dem Abkühlen wieder einschaltet. Gängige Ausführungen verwenden Kurzschlussläufer-Asynchronmotoren mit Isolationsklasse H und Versorgungsoptionen wie 110/220 V Wechselstrom einphasig und 380/440 V Wechselstrom dreiphasig.
Durch die korrekte Abstimmung des Ventil-Einschaltdauerzyklus auf den Motor wird eine Überhitzung verhindert, die Lebensdauer der Komponenten verlängert und ein zuverlässiger Betrieb des elektrischen Mehrgangantriebs gewährleistet.
Schritt 4: Bewertung der Umgebungsbedingungen (Industrie-, Schiffs- oder Hochtemperaturanwendungen)
Ein weiterer Faktor, der bei der Auswahl von Aktuatoren zu berücksichtigen ist, ist die Zuverlässigkeit der Anlagen. Zuverlässigkeit ist ein entscheidender Faktor, insbesondere bei Ventilen, die kritische Funktionen in einem System erfüllen.
Wenn der Ausfall eines Aktuators die Stabilität eines Systems beeinträchtigt, ist dessen Zuverlässigkeit ein entscheidender Faktor bei der Auswahl. Auch die Bedeutung des Ventils im System spielt bei der Aktuatorauswahl eine wichtige Rolle.
Fazit: Kostspielige Auswahlfehler mithilfe einer professionellen Checkliste vermeiden
Für eine erfolgreiche Dimensionierung von Ventilantrieben müssen Anwendungsanforderungen, Systemkompatibilität, Zuverlässigkeit und Kosten berücksichtigt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Antrieb in einem Automatisierungssystem effektiv funktioniert.
Es ist notwendig, die Prozessanforderungen, die Systemkompatibilität und die Zuverlässigkeit im Vorfeld zu prüfen. Auswahl eines Ventilantriebs um Größenfehler zu vermeiden.
