Über die Bedeutung von schnell ansprechenden Stellantrieben für die Prozessoptimierung

Angesichts des weltweiten Bevölkerungswachstums und des damit verbundenen steigenden Energiebedarfes müssen zunehmend die unterschiedlichsten Energiequellen zur Energieerzeugung genutzt werden. Damit steigen auch die Anforderungen an alle bei der Energiegewinnung und -versorgung verwendeten Komponenten.

Es versteht sich von selbst, dass in technisch hoch anspruchsvollen Bereichen wie der Öl- und Gasindustrie, der petrochemischen Industrie oder dem Energiesektor ein Ausfall eines Stellantriebs (oder eines anderen Bauteils) aus Sicherheits- und Kostengründen unbedingt zu verhindern ist. In der Flüssigerdgas-Industrie beispielsweise kann selbst ein vorübergehender Ausfall der Anlagen von nur einer Stunde Kosten von rund einer Million US-Dollar verursachen.

Vor diesem Hintergrund wird deutlich, warum gerade Stellantriebe besonders zuverlässig sein müssen: Sie steuern und regeln andere versorgungskritische Mechanismen oder Systeme. Tatsächlich kommen Stellantriebe schon seit ca. 2000 Jahren zum Einsatz. Bereits das Wasserversorgungssystem der Römer war mit Steuerungen für Ventile, Leitungen und Anschlussstutzen ausgestattet.

In der modernen Verfahrenstechnik müssen Anwendungen wie Druckbegrenzungsventile für Kompressoren oder Turbinen-Bypassventile beste Leistungen erbringen. Selbst bei extremer Hitze oder Kälte, unter Einwirkung korrosiver Flüssigkeiten oder unter anderen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen müssen sie äußerst genau und zuverlässig funktionieren. Diese Ventile, die sehr groß dimensioniert sein können und sich damit unter Umständen nur unter großem Kraftaufwand öffnen und schließen lassen, werden von Stellantrieben gesteuert.

Das Angebot an Stellantrieben ist sehr groß. Doch Anlagenbetreiber sollten sich davor hüten, ungeachtet des Einsatzzweckes allein den Preis über die Auswahl eines Stellantriebs entscheiden zu lassen. Kommt es zu einem Ausfall eines Stellantriebs, muss nicht nur die Anlage heruntergefahren werden, um den schadhaften Stellantrieb auszutauschen. Vielmehr kann ein solcher Ausfall auch Schäden an Ventilen und Prozessklappen und damit entsprechende Folgekosten nach sich ziehen. Natürlich verursacht auch der Notbetrieb in ferngewarteten Anlagen weitere Folgekosten.

In den letzten Jahren haben die höchst anspruchsvollen Prozessbedingungen in vielen Bereichen dazu geführt, dass ganz neue Anforderungen an alle Schlüsselbauteile gestellt werden. Letztere sollen nun unter anderem schneller auf die wechselnden Prozessbindungen reagieren können. Durch die neuen Auflagen stieg folglich auch der Bedarf an schnell ansprechenden Stellantrieben. In extremen Anwendungen muss ein Stellantrieb gewährleisten, dass auch bei einem hohen Ventilgewicht von über einer Tonne der Ventilweg nur 1 m/s beträgt. Dabei muss der Stellantrieb dem hohen Druck, der im Ventilinneren herrscht, widerstehen können. Darüber hinaus sollte auch in Analgen mit einem elastischen Medium wie Druckluft die Steuerung so präzise ausfallen, dass ohne weitere Nachjustierung Genauigkeiten von 1mm erreicht werden können. Somit kann man die Auswahl des für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Stellantriebs keineswegs dem Zufall überlassen.

Die Geschwindigkeit eines Stellantriebs sollte im Leerlauf gemessen werden, da es zu einer ungeregelten Reduzierung der Geschwindigkeit kommt, sobald die Anlage durchströmt wird. Die Abnahme der Geschwindigkeit errechnet sich aus der aufgewendeten Kraft und der Ausgangsgeschwindigkeit.

Für die Konstruktion schnell ansprechender Stellantriebe wurden in den letzten Jahren einige neue Technologien entwickelt und patentiert. Dazu zählen elektronisch-digitale Positionsanzeigen und integrierte Volumenstromverstärker. Durch den Volumenstromverstärker werden ein hoher Volumenstrom und ein sicherer Verschluss des Stellantriebs gewährleistet. Dadurch erübrigt sich eine große Dimensionierung der Ventile, es werden also nur noch kleine Pilotventile benötigt. Aufgrund der genauen Volumenstromsteuerung kann in den meisten Anwendungen zudem sowohl auf Druckbooster als auch auf Schnellentlüftungsventile verzichtet werden.

Der Clou an den neuen schnell ansprechenden Stellantrieben ist, dass sie nicht nur genau, sondern auch reaktionsschnell sind. Ein Stellantrieb, der zwar schnell anspricht, aber nur ungenau arbeitet, ist nicht nur nutzlos, sondern unter Umständen sogar gefährlich. Demgegenüber genügt ein Stellantrieb, der zwar genau arbeitet, aber nicht schnell anspricht, nicht den Anforderungen hoch anspruchsvoller Anwendungen.

Schnell ansprechende Stellantriebe gibt es in verschiedenen Ausführungen, die den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden. In einigen Anwendungen erweist sich ein einfacher Stellantrieb mit ungeregelter Stellbewegung als voll funktionsfähig. In anderen Anwendungen muss ein Ventil zuverlässig in weniger als zwei Sekunden (bei einer Stellkraft von 127,093 N bei einem Druck von 4,5 bar) geöffnet werden können. Am anspruchsvollsten sind üblicherweise Anwendungen mit Flüssigerdgas.

Bei der Herstellung der Stellantriebe und seiner Zubehörteile richtet sich die Auswahl der Werkstoffe nach der Art der Anwendung, den Prozessbedingungen, der Einsatztemperatur und der Beschaffenheit des Mediums. Zu den neuesten Konstruktionen zählen Stellantriebe mit Vierteldrehung für die Steuerung von Drehventilen wie Kugel- und Schmetterlingsventilen. Die Nachfrage nach diesen Konstruktionen, die eigens für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt wurden, steigt ständig.

Hintergrund für viele Neuentwicklungen sind strengere Sicherheitsbestimmungen, hier vor allem die Sicherheitsanforderungsstufen oder Sicherheits-Integritätslevel (SIL). Diese verlangen genauere Regelalgorithmen der Positionsanzeigen, eine umfassendere Diagnosefunktion sowie in jüngster Zeit auch eine direkte Übermittlung aller wichtigen Betriebsdaten an den Regelraum.
Weitere Informationen finden Sie unter www.imi-critical.com

Mattia Tami von IMI Critical-Engineering

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