Regelungshardware: Elektrische/pneumatische Betätigung

Block 6 des Dampf- und Kondensatkreislaufs befasst sich mit den praktischen Aspekten der Regelungstechnik und setzt die in Block 5 behandelte, grundlegende Regeltheorie in die Praxis um.

Ein einfaches Regelungssystem würde normalerweise aus den folgenden Komponenten bestehen:

• Regelventile
• Antriebe
• Regler
• Sensoren

Alle diese Begriffe sind allgemein gehalten und können viele Varianten und Ausprägungen beinhalten. Mit dem Fortschritt der Technik wird die Trennlinie zwischen den einzelnen Ausrüstungsgegenständen und ihren Definitionen immer unklarer. So kann beispielsweise der Stellungsregler, der das Ventil normalerweise auf eine bestimmte Position innerhalb seines Hubbereichs justierte, heute auch:

• Ein Eingangssignal direkt von einem Sensor empfangen und eine Regelfunktion ausüben.
• Verbindung mit einem Computer aufnehmen, um die Regelfunktionen zu ändern und Diagnoseroutinen durchzuführen.
• Die Ventilbewegungen modifizieren, um die Charakteristik des Regelventils zu verändern.
• Kontakt zum digitalen Kommunikationssystemen der Anlage herstellen. Im Hinblick auf eine bessere Übersichtlichkeit wird hier jedoch jedes Gerät einzeln betrachtet.

Regelventile

Obwohl es eine Vielzahl von Ventiltypen gibt, wird sich dieses Dokument auf diejenigen konzentrieren, die am häufigsten bei der automatischen Regelung von Dampf und anderen industriellen Fluiden verwendet werden. Dazu gehören Ventiltypen, die eine lineare und rotierende Spindelbewegung aufweisen.

Zu den linearen Typen gehören Geradsitzventile und Schieber. Zu den Rotationstypen gehören Kugelhähne, Absperrklappen, Kegelventile und deren Varianten.

Die erste Wahlmöglichkeit ist dabei zwischen Zwei- oder Drei-Wege-Ventilen.

• Zwei-Wege-Ventile „drosseln“ (begrenzen) das durch sie strömende Medium.
• Drei-Wege-Ventile können dazu verwendet werden, die durch sie strömende Flüssigkeit zu „mischen“ oder „zu verteilen“.

Zwei-Wege-Ventil

Geradsitzventile (Hubventile)

Geradsitzventile werden häufig für Regelanwendungen eingesetzt, da sie für die Drosselung des Durchflusses geeignet sind und sich leicht mit einer bestimmten „Charakteristik“ ausstatten lassen, die sich auf die Öffnung des Ventils bezieht.

Zwei typische Geradsitzventile sind in Abbildung 6.1.1 dargestellt. Ein mit der Ventilspindel gekoppelter Antrieb würde für die Ventilbewegung sorgen.

Die Hauptbestandteile von Geradsitzventilen sind:

• Das Gehäuse.
• Das Gehäuseoberteil.
• Der Ventilsitz und Ventilkegel oder Garnitur.
• Die Ventilspindel (die mit dem Antrieb verbunden ist).
• Die Dichtungen zwischen der Ventilstange und dem Gehäuseoberteil.

Abbildung 6.1.2 ist eine schematische Darstellung eines einsitzigen Zwei-Wege-Geradsitzventils. In diesem Fall drückt der Fluidstrom gegen den Ventilkegel und sorgt dafür, dass der Kegel vom Ventilsitz weggeschoben wird.

Die Differenz zwischen dem Druck vor (P₁) und nach (P₂) dem Ventil, gegen die das Ventil schließen muss, wird Differenzdruck (∆P) genannt. Der maximale Differenzdruck, gegen den ein Ventil schließen kann, hängt von der Größe und dem Typ des Ventils und dem verwendeten Antrieb ab.

Im Allgemeinen kann die vom Antrieb benötigte Kraft nach Gleichung 6.1.1 bestimmt werden.

In einem Dampfsystem wird in der Regel davon ausgegangen, dass der maximale Differenzdruck gleich dem Vordruck ist. Dies erlaubt mögliche Vakuumbedingungen hinter dem Ventil, wenn dieses schließt. Der Differenzdruck in einem geschlossenen Wassersystem ist die maximale Pumpendifferenzdruckhöhe.

Wird ein größeres Ventil mit einer größeren Öffnung verwendet, um größere Mengen des Mediums durchzulassen, steigt auch die Kraft, die der Antrieb entwickeln muss, um das Ventil zu schließen. Wenn sehr große Mengen über große Ventile durchgesetzt werden müssen, oder wenn sehr hohe Differenzdrücke vorhanden sind, wird irgendwann der Punkt erreicht, an dem es unpraktikabel wird, genügend Kraft zum Schließen eines herkömmlichen Einsitzventils bereitzustellen. Unter diesen Umständen ist die gängige Lösung für dieses Problem das Doppelsitz-Zwei-Wege-Ventil.

Wie der Name schon sagt, hat das Doppelsitzventil zwei Ventilkegel auf einer gemeinsamen Spindel und zwei Ventilsitze. Nicht nur die Ventilsitze können kleiner gehalten werden (da es zwei davon gibt), sondern auch, wie in Bild 6.1.3 zu sehen ist, sind die Kräfte teilweise ausgeglichen. Das bedeutet, dass der Differenzdruck sowohl versucht, den oberen Ventilkegel vom Sitz wegzudrücken (wie bei einem Einsitzventil), als auch den unteren Ventilkegel nach unten zu drücken und zu schließen.

Bei allen Doppelsitzventilen besteht jedoch ein potenzielles Problem. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten können nur wenige Doppelsitzventile eine gute Abschlussdichtheit gewährleisten.

Abschlussdichtheit

Die Leckage eines Regelventils wird dahingehend klassifiziert, wie undicht das Ventil in vollkommen geschlossener Stellung ist. Die Leckrate über ein normales Doppelsitzventil liegt im besten Fall bei Klasse III (eine Leckage von 0,1 % des vollen Durchflusses), was für bestimmte Anwendungen zu viel sein kann. Da die Durchflusswege durch die beiden Sitze unterschiedlich sind, bleiben die Kräfte beim Öffnen des Ventils möglicherweise nicht im Gleichgewicht.

Es gibt verschiedene internationale Normen, die die Leckraten von Regelventilen definieren. Die folgenden Leckraten sind der DIN EN 60534-4 entnommen. Für ein nicht druckentlastetes Standard-Einsitzventil beträgt die Leckrate normalerweise Klasse IV (0,01 % des vollen Durchflusses), wobei es auch möglich ist, Klasse V (1,8 x 10^-5 x Differenzdruck (bar) x Sitzdurchmesser (mm) zu erreichen. Im Allgemeinen gilt: Je niedriger die Leckrate, desto höher die Kosten. 

Druckentlastete Einsitzventile

Aufgrund des Leckageproblems bei Doppelsitzventilen sollte ein Einzelsitzventil gewählt werden, wenn ein dichter Abschluss erforderlich ist. Die Kräfte, die zum Schließen eines einsitzigen Durchgangsventils erforderlich sind, nehmen mit der Ventilgröße deutlich zu. Einige Ventile sind mit einem Ausgleichsmechanismus ausgestattet, um die erforderliche Schließkraft zu reduzieren, insbesondere bei Ventilen mit großen Differenzdrücken. Bei einem kolbenentlasteten Ventil wird ein Teil des eingangsseitigen Fluiddrucks über interne Kanäle in einen Raum oberhalb des Ventilkegels übertragen, der als Druckausgleichskammer dient. Der in dieser Kammer vorhandene Druck erzeugt eine nach unten gerichtete Kraft auf den Ventilkegel, wie in Abbildung 6.1.4 dargestellt, wodurch der Vordruck ausgeglichen und die vom Antrieb ausgeübte Kraft zum Schließen des Ventils unterstützt wird.

Spindelbetätigte Gleitschieber

Gleitschieber gibt es in der Regel in zwei verschiedenen Ausführungen: Keilschieber und Parallelschieber. Beide Typen eignen sich gut zur Absperrung eines Fluidstroms, da sie dicht abschließen und ihr Druckabfall im geöffneten Zustand sehr gering ist. Beide Typen werden als handbetätigte Ventile eingesetzt, aber wenn eine automatische Betätigung erforderlich ist, wird in der Regel das Parallelschieberventil gewählt, sei es zur Absperrung oder zur Regelung. Typische Ventile sind in Abbildung 6.1.5 dargestellt.

Das Parallelschieberventil schließt über zwei federbelastete Gleitscheiben (Federn nicht dargestellt), die über den Strömungsweg des Fluids geführt werden, wobei der Fluiddruck eine dichte Verbindung zwischen der abströmseitigen Scheibe und ihrem Sitz gewährleistet. Parallelschieber in großen Nennweiten werden in Hauptdampf- und Versorgungsleitungen der Energie- und Prozessindustrie zur Absperrung von Anlagenteilen eingesetzt. Kleine Parallelschieber werden auch für die Regelung von Dampf- und Wasserversorgungsanlagen eingesetzt, obwohl diese Aufgaben vor allem aus Kostengründen oft von angetriebenen Kugelhähnen und Kolbenventilen ausgeführt werden.

Ventile mit Drehbewegung

Zu den Drehventilen, oft auch Viertelumdrehungsventile genannt, gehören Kegelventile, Kugelhähne und Absperrklappen. Sie erfordern zum Öffnen und Schließen alle eine Drehbewegung und können problemlos mit Antrieben ausgestattet werden.

Exzentrische Kegelventile

Abbildung 6.1.6 zeigt ein typisches Exzenterkegelventil. Diese Ventile werden wie dargestellt normalerweise mit der Kegelspindel horizontal liegend und dem angeschlossenen Antrieb neben dem Ventil eingebaut.

Kegelventile können Verbindungsstücke zwischen Kegel und Antrieb aufweisen, um die Hebelwirkung und Schließkraft zu verbessern, sowie spezielle Stellungsregler, die die eigentliche Ventilkennlinie in eine nützlichere, gleichprozentige Kennlinie umwandeln (die Ventilkennlinien werden in Modul 6.5 erläutert).

Kugelhähne

Abbildung 6.1.7 zeigt einen Kugelhahn, der aus einer sphärischen Kugel besteht, die zwischen zwei Dichtringen in einer einfacher Gehäuseform angeordnet ist. Die Kugel hat eine Durchgangsbohrung, durch die das Fluid strömen kann. In einer Linie mit den Rohrleitungsenden ergibt sich entweder ein Durchfluss mit vollem oder fast vollem Durchgang bei sehr geringem Druckverlust. Durch eine 90 °-Drehung der Kugel wird der Durchgang geöffnet und geschlossen. Kugelhähne, die speziell für Regelungszwecke entwickelt wurden, haben eine charakteristische Kugel oder Sitz, um ein gewünschtes Strömungsverhalten zu erhalten.

Kugelhähne sind ein wirtschaftliches Instrument, um eine Regelung mit dichtem Abschluss für viele Flüssigkeiten, einschließlich Dampf bei Temperaturen bis zu 250 °C (38 bar ü, Sattdampf), zu ermöglichen. Oberhalb dieser Temperaturen sind spezielle Sitzwerkstoffe oder metallisch dichtende Sitze erforderlich, was teuer sein kann. Kugelhähne sind leicht zu betätigen und werden häufig zur Fernabsperrung und -steuerung eingesetzt. Für kritische Regelungsanwendungen gibt es geteilte Kugeln und Kugeln mit speziell geformten Bohrungen, die für unterschiedliche Strömungscharakteristiken sorgen.

Absperrklappen

Abbildung 6.1.8 zeigt eine einfache schematische Darstellung einer Absperrklappe, die aus einer Scheibe besteht, die sich in Zapfenlagern dreht. In Offenstellung steht die Scheibe parallel zur Rohrwand und ermöglicht den vollen Durchsatz durch das Ventil. In der Geschlossenstellung ist sie gegen einen Sitz und senkrecht zur Rohrwand gedreht.

Früher waren Absperrklappen auf niedrige Drücke und Temperaturen beschränkt, was auf die mit den Weichdichtungen verbundenen Einschränkungen zurückzuführen war. Heute gibt es Ventile mit Sitzen für höhere Temperaturen oder mit hochwertigen und speziell bearbeiteten metallisch dichtende Sitzen, die diese Nachteile vermeiden. Standard-Absperrklappen werden heute in einfachen Regelungsanwendungen eingesetzt, insbesondere bei größeren Baugrößen und wenn ein geringes Stellverhältnis erforderlich ist.

Für anspruchsvollere Aufgaben stehen spezielle Absperrklappen zur Verfügung.

Ein Fluid, das durch eine Absperrklappe strömt, erzeugt einen geringen Druckabfall, da die Klappe im geöffneten Zustand einen geringen Strömungswiderstand aufweist. Im Allgemeinen sind ihre Differenzdruckgrenzwerte niedriger als bei Geradsitzventilen. Bei Kugelhähnen ist das ähnlich, nur dass sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichtungsanordnung gegen höhere Differenzdrücke arbeiten können als gleichwertige Absperrklappen.

Optionen

Bei der Auswahl eines Regelventils gibt es immer eine Reihe von Optionen zu berücksichtigen. Bei Geradsitzventilen umfasst dies eine Auswahl an Stopfbuchspackungsmaterialien und -konfigurationen, die das Ventil für den Einsatz bei höheren Temperaturen oder für verschiedene Fluide geeignet machen. Einige Beispiele dafür sind in den einfachen schematischen Darstellungen in Abbildung 6.1.9 zu sehen. Es ist anzumerken, dass bestimmte Arten von Stopfbuchspackungen eine größere Reibung mit der Ventilspindel erzeugen als andere. So erzeugt beispielsweise eine normale Stopfbuchspackung eine höhere Reibung als eine federbelastete PTFE-Dachmanschette oder eine Faltenbalgdichtung. Höhere Reibung erfordert eine höhere Antriebskraft und neigt dazu, willkürliche Bewegungen der Spindel zu verursachen.

Eine federbelastete Packung stellt sich bei Verschleiß neu ein. Dies verringert die Notwendigkeit einer regelmäßigen manuellen Wartung. Faltenbalg-Ventile sind die teuersten dieser drei Typen, haben aber nur eine minimale Reibung und die beste Spindelabdichtung. Wie in Abbildung 6.1.9 zu sehen ist, haben Faltenbalg-Ventile in der Regel einen zusätzlichen Satz herkömmlicher Dichtungen im oberen Teil des Ventilspindelgehäuses. Dies dient als abschließende Schutzmaßnahme gegen die Gefahr, dass eine Leckage über die Spindel in die Atmosphäre gelangt.

Bei Ventilen gibt es auch verschiedene Möglichkeiten, den Ventilkegel im Gehäuse zu führen. Eine gängige Führungsart ist die „doppelt geführte“ Methode, wie in Abbildung 6.1.10 dargestellt, bei der die Spindel sowohl oben als auch unten in ihrer Länge geführt wird. Eine andere Methode ist der „geführte Kegel“, bei dem der Kegel in einem Käfig oder einer Hülse geführt wird. Einige Ventile können perforierte Käfige aufweisen, welche die Kegelführung und eine Geräuschreduzierung kombinieren.

Kolbenventile

Diese Ventilart besitzt einen Hohlkolben (Abbildung 6.1.12), der vom Antrieb auf und ab bewegt wird und die beiden Anschlüsse A und B entsprechend abdeckt und freigibt. Anschluss A und Anschluss B haben die gleiche Gesamtdurchflussfläche und die kumulierte Querschnittsfläche beider Anschlüsse ist zu jedem Zeitpunkt die gleiche. Wenn beispielsweise Anschluss A 30 % offen ist, ist Anschluss B zu 70 % offen, und umgekehrt. Dieser Ventiltyp ist von Natur aus druckentlastet und wird von einem Regelsystem ohne Hilfsenergie angetrieben. Hinweis: Die Anschlusskonfiguration kann je nach Hersteller unterschiedlich sein.

Drei-Wege-Geradsitzventil

Hier bewegt der Antrieb eine Scheibe oder ein Paar Ventilkegel zwischen zwei Sitzen (Bild 6.1.13) und erhöht oder verringert den Durchfluss durch die Anschlüsse A und B entsprechend.

Hinweis: Eine lineare Kennlinie wird durch die Profilierung der Kegelform erreicht (siehe Bild 6.1.14).

Drehschieber-Drei-Wege-Ventil

Diese Ventilart verwendet einen sich drehenden Schieber, der über die Anschlussflächen fährt. Die schematische Darstellung in Abbildung 6.1.15 veranschaulicht eine Mischanwendung mit ca. 80 % Durchfluss durch Anschluss A, 20 % Durchfluss durch Anschluss B und 100 % durch Anschluss AB.

Einsatz von Drei-Wege-Ventilen

Nicht alle Typen können sowohl für den Misch- als auch für den Verteilbetrieb verwendet werden. Abbildung 6.1.16 zeigt die fehlerhafte Anwendung eines Geradsitzventils, das als Mischventil ausgeführt ist, aber als Verteilventil verwendet wird.

Der Durchfluss, der über den Anschluss AB eintritt, kann entweder aus einem der beiden Austrittsanschlüssen A oder B austreten, oder ein Teil davon aus jedem Anschluss. Bei geöffnetem Anschluss A und geschlossenem Anschluss B wirkt der Differenzdruck des Systems auf die eine Seite des Kegels. Bei geschlossenem Anschluss A und geöffnetem Anschluss B liegt der Differenzdruck auf der anderen Seite des Kegels an. Bei einer bestimmten Zwischenstellung wechselt der Differenzdruck seine Lage. Diese Druckumkehr kann dazu führen, dass sich der Kegel aus der Position bewegt, was zu einer schlechten Regelung und möglichen Geräuschen führt, wenn der Kegel gegen seinen Sitz „klappert“.

Um dieses Problem bei einem für den Verteilbetrieb ausgelegten Ventil zu lösen, wird eine andere Sitzkonfiguration verwendet, wie in Abb. 6.1.17 zu sehen ist. Hier wirkt der Differenzdruck immer gleichmäßig auf der gleichen Seite beider Ventilkegel.

In geschlossenen Kreisläufen ist es, wie in den Abbildungen 6.1.18 und 6.1.19 dargestellt, möglich, je nach Systemaufbau Misch- oder Verteilventile einzusetzen.

In Abbildung 6.1.18 ist das Ventil als Mischventil ausgeführt, da es zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist. Wenn es jedoch in der Rücklaufleitung der Last eingesetzt wird, übernimmt es eine Verteilfunktion, da es das heiße Wasser am Wärmetauscher vorbei leitet.

Stellen Sie sich das in Abbildung 6.1.18 dargestellte Mischventil vor, wenn der Wärmetauscher, zum Beispiel beim Anfahren, maximale Leistung abfordert. Dann wird Anschluss A vollständig geöffnet und Anschluss B vollständig geschlossen sein. Das ganze Wasser aus dem Kessel wird durch den Wärmetauscher geleitet und strömt über die Anschlüsse AB und A. Wenn der Wärmebedarf gedeckt ist, wird der Anschluss A vollkommen geschlossen und Anschluss B vollkommen geöffnet sein, und das ganze Wasser aus dem Kessel fließt an der Last vorbei und strömt über die Anschlüsse AB und B durch das Ventil. Auf diese Weise wird das Wasser in Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmeleistung am Wärmetauscher vorbei geleitet.

Der gleiche Wirkung kann durch den Einbau eines Verteilventils in die Vorlaufleitung erreicht werden, wie es in Figur 6.1.19 dargestellt ist.