Richtige Auswahl von Regelventilen und zu berücksichtigende Aspekte – Alle sind herzlich eingeladen, weitere Ergänzungen beizusteuern

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von Wang Tianze am 18.12.2016 um 19:56 bearbeitet. Richtige Auswahl und Bedienhinweise für Regelventile – bitte fügt weiterhin eure Erkenntnisse hinzu: Regelventile sind Endausführungselemente in Systemen zur Steuerung industrieller Prozesse. In Systemen zur automatischen Steuerung der kontinuierlichen Produktion sind Regelventile in der Regel notwendig, um verschiedene Prozessparameter zu steuern – beispielsweise den Druck, die Temperatur, den Durchfluss sowie den Stand des Fluids. Sie werden daher oft als „Hände und Füße“ in der Automatisierung industrieller Prozesse bezeichnet. Die Qualität seiner Anwendung spiegelt sich direkt in der Regelungseigenschaft des Systems wider. Als Endaktuatoren in der Prozesssteuerung wird ihre Bedeutung heute stärker erkannt als früher. Für die gute Funktionsfähigkeit von Regelventilen ist neben der Produktqualität sowie der richtigen Installation, Nutzung und Wartung durch den Benutzer auch eine korrekte Auswahl unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen von großer Bedeutung. Aufgrund von Fehlern bei der Berechnung der Auswahl kam es zu instabiler Systemleistung; es gibt viele Beispiele, in denen die Systeme sogar gar nicht in Betrieb genommen werden konnten. Daher müssen Benutzer und Systementwickler die Bedeutung der Regelventile vor Ort vollständig erkennen und der Auswahl der Regelventile gebührende Aufmerksamkeit schenken. Die allgemeinen Grundsätze bei der Auswahl von Regelventilen sind: Unter Berücksichtigung der erforderlichen Funktionalitäten sollte das ausgewählte Regelventil eine einfache Konstruktion haben, zuverlässig funktionieren, günstig sein, eine lange Lebensdauer aufweisen und einfach wartbar sein. Im Folgenden werden die Auswahl des Regelventiltyps sowie die Auswahl der Zubehörteile im Detail erläutert. 1 Auswahl des Ventiltyps für Regulierventile Es gibt viele Möglichkeiten, Regulierventile zu klassifizieren. Derzeit wird im Inland und international meist eine Klassifizierung nach Struktur, Funktionsprinzip und Einsatzgebiet verwendet. Insgesamt gibt es 9 Hauptkategorien: Durchflussregulierventile mit einziger Sitzfläche, Durchflussregulierventile mit zweier Sitzflächen, Schlauchregulierventile, Winkelventile, Dreiecksventile, Membranventile, Schmetterlingsventile, Kugelventile sowie Ventile mit exzentrischer Drehbewegung. Diese neun Produkttypen sind die grundlegendsten und am häufigsten verwendeten Produkte – sie werden auch als Standardprodukte bezeichnet. Die anderen Produkte entstehen durch Verbesserungen auf dieser Basis unter Berücksichtigung der tatsächlichen Anwendungszwecke; sie werden als Sonderprodukte bezeichnet. 1.1 Eigenschaften der Standardregelventile sowie deren richtige Auswahl 1.1.1 Durchflussregelventile mit einziger Sitzeinheit Diese Ventile verfügen über nur einen Ventilkern und eine Sitzeinheit, wodurch eine strenge Abdichtung erreicht werden kann. Es können entweder harte Abdichtungen aus Metall auf Metall oder weiche Abdichtungen aus Metall in Kombination mit Polytetrafluorethylen oder anderen Verbundmaterialien verwendet werden. Der Standardleckagegrad beträgt 0,01%C – wobei C der Nennstromkoeffizient ist. Der zulässige Druckunterschied ist gering, ebenso wie die Durchflusskapazität. Beispielsweise beträgt der zulässige Druckunterschied bei einem Durchflussregelventil mit DN100 nur 120 kPa, während die Durchflusskapazität bei nur 100 liegt. Die Strömungswege sind komplex, die Konstruktion hingegen einfach. Sie eignet sich für Anwendungen mit strengen Leckageanforderungen sowie bei geringen Druckunterschieden bei sauberen Medien. Doch auch kleine Regelventile (DN1/2, 3/4, 20) können in Situationen mit größeren Druckunterschieden eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um eines der am häufigsten verwendeten Regelventile. Bei weiterer Optimierung können sie außerdem als Absperrventile verwendet werden. Die Form des Ventilkerns bestimmt die Durchflusseigenschaften. Nach dem Abtragen verliert er seine ursprünglichen Eigenschaften; durch den Austausch des Ventilkerns können die Durchflusseigenschaften geändert werden. Doch das Fluid übt einen großen Druck auf den Ventilkern aus, d.h. die Ungleichgewichtskräfte sind groß; daher ist ein Aktuator mit hoher Schubkraft erforderlich. In Anwendungen mit hohem Druckunterschied und großen Durchmessern eignen sich solche Regelventile daher nicht. Bei der Verwendung dieses Ventils muss besonders auf die Überprüfung des Druckunterschieds geachtet werden, um ein Aufdrücken zu verhindern. 1.1.2 Durchflussregelventil mit zwei Sitzen
Ein Durchflussregelventil mit zwei Sitzen verfügt über zwei Ventilkerne sowie zwei Ventilsitze. Da der nach oben wirkende Druck auf den oberen Ventilkern und der nach unten wirkende Druck auf den unteren Ventilkern im Wesentlichen ausgeglichen sind, ist die Gesamtlast auf die Ventilkerne gering. Dadurch kann ein großer Druckunterschied überwunden werden. Beispielsweise ermöglicht ein DN100-Regelventil mit zwei Sitzen einen Druckunterschied von 280 kPa. Zudem hat dieses Ventil eine hohe Durchflusskapazität. Im Vergleich zu Regelventilen derselben Größe kann ein Ventil mit zwei Sitzen mehr Fluid durchlassen – die Durchflusskapazität liegt dabei etwa 20% bis 50% höher als bei Ventilen mit einem Sitz. Zum Beispiel beträgt die Durchflusskapazität eines zweisitzigen Regelventils der Größe DN100 160. Daher kann man für eine gleichbleibende Durchflussfähigkeit bei Doppelventilen mit Regelungsfunktion einen Aktor mit geringerer Antriebskraft verwenden. Der zweisitzige Regelventil verfügt über eine Doppelführung von oben und unten. Dadurch ist es einfach, den Ventiltyp zu wechseln – man muss lediglich den Ventilkern sowie den Ventilsitz umdrehen, um einen Normalventil in ein Umkehrventil umzuwandeln oder umgekehrt. Es ist nicht notwendig, den Typ des Antriebsmechanismus zu ändern. Die oberen und unteren Ventilkörper des zweisitzigen Regulierventils können nicht gleichzeitig geschlossen werden, wodurch ein hoher Leckstrom entsteht. Der Standardleckstrom beträgt 0,1 % von C (wobei C der Nennstromkoeffizient ist) ； Der Durchflussweg ist komplex, wodurch er nicht für Anwendungen mit hohem Druckunterschied geeignet ist. In solchen Anwendungen wird die Ventilklappe stark von dem hochdruckigen Fluid belastet, was außerdem zur Entstehung von Verdampfungseffekten und Kavitation führt – dadurch wird die Belastung der Ventilklappe weiter erhöht. Zudem eignet sich das Ventil auch nicht zur Steuerung von Medien mit Fasern oder Flüssigkeiten mit hoher Viskosität. 1.1.3 Gehäuseregelventile
Gehäuseregelventile werden auch als Käfigventile bezeichnet. Die Innenteile eines solchen Ventils bestehen aus einem Ventilkern sowie einem Ventilkäfig. Der Ventilkäfig kann entweder bei einem Durchflussregelventil mit einziger Sitzfläche verwendet werden, oder er kann auch bei Doppel-Sitz-Regelventilen oder Winkelregelventilen zum Einsatz kommen. Es gibt zwei Arten von Konstruktionen: mit einer oder zwei Abdichtungen. Die Variante mit einer Abdichtung entspricht einem Regelventil mit einziger Sitzfläche und eignet sich daher für Anwendungen, in denen ein solches Ventil benötigt wird ； Letzteres entspricht einem Doppel-Sitz-Regelventil und eignet sich für Anwendungen mit Doppel-Sitz-Regelventilen. Darüber hinaus weist es eine gute Stabilität auf, ist einfach zu montieren und zu warten, sowie in der Lage, Lärm und die Auswirkungen der Kavitation zu verringern. Allerdings ist sein Preis um 50 % bis 200 % höher als bei Ein- und Zweistellventilen. Zudem sind spezielle Dichtungen erforderlich. Seine Anwendung ist weit verbreitet – nur hinter Ein- und Zweistellventilen. Für unreine Medien sowie Medien, die leicht kristallisieren oder Verkrustungen bilden, sollte dieses Ventil jedoch nicht verwendet werden. 1.1.4 Winkelregelventil
Das Winkelregelventil ist ein Einzelkolben-Regelventil mit einer speziellen Ventilkörperkonstruktion. Es eignet sich für bestimmte Rohrleitungs- und Fluidanwendungen. Dabei wird der geradlinige Ventilkörper in einen winkeligen Ventilkörper umgewandelt – dieser entspricht im Grunde einem Bogenstück. Die Drosselungs- sowie Belastungseigenschaften des Winkelregelventils sind identisch mit denen eines Einzelkolben-Regelventils. Es werden die Vorteile der Einzelregelventile beibehalten: geringer Leckagegrad und geringer zulässiger Druckunterschied. Darüber hinaus verfügt es aufgrund seines einfachen Durchflusswegs über eine „Selbstreinigungsfunktion“. Dadurch eignet es sich für unreine Medien. Zudem kann es weiterentwickelt werden zu einem Ventil, das Verstopfungen verhindert – somit eignet es sich besonders für Anwendungen mit Medien, die Suspensionen enthalten. Es ist insbesondere dann geeignet, wenn der Installationsraum begrenzt ist. 1.1.5 Dreiecksventil zur Regulierung – Das Dreiecksventil zur Regulierung nutzt die eigene Führung des Ventilkörpers. Bei einem Wechsel von der „Gasöffnungs“- auf die „Gasschließungs“-Funktion muss der Aktuator ausgetauscht werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Begriffe „Gasöffnung“ und „Gasschließung“ bei diesem Ventil eine andere Bedeutung haben als bei anderen Regulierventilen. Dabei muss klar sein, auf welchem Weg sich die Öffnung bzw. Schließung bezieht – also auf der horizontalen oder vertikalen Ebene. Es verfügt über drei Kanäle und kann anstelle von zwei herkömmlichen Einzelventilen zur Trennung und Vereinigung von zwei Strömen eingesetzt werden – insbesondere in Fällen, in denen die Temperaturdifferenz ≤ 150°C beträgt. Wenn DN ≤ 80 mm ist, kann das Vereinigungsventil auch zur Trennung von Strömen verwendet werden. 1.1.6 Membranregelventil Das Membranregelventil besteht aus einer korrosionsbeständigen Membran sowie einem Ventilkörper, der mit korrosionsbeständigem Material ausgekleidet ist. Es weist einen einfachen Durchflussweg auf und eignet sich für Anwendungen mit unreinen oder schwach korrosiven Medien, bei denen eine zweistufige Abschaltung erforderlich ist. Es gehört zu den ersten Regelventilen. Aufgrund seiner nahezu sofortigen Öffnungszeit sind seine Regelungseigenschaften eher schlecht. Zudem wird seine Leistung durch das Material der Membran sowie des Auskleidungsmaterials beeinflusst. Deshalb kann es nicht in Anwendungen bei hohen Temperaturen und hohem Druck eingesetzt werden. Die üblichen Betriebsdrücke liegen bei ≤1,6 MPa, die Betriebstemperaturen bei ≤150 °C. Hinzu kommt, dass die Membran leicht beschädigt werden kann und eine kurze Lebensdauer hat. Deshalb wird es heutzutage nur noch selten eingesetzt. 1.1.7 Schmetterlingsventil Das Schmetterlingsventil verwendet einen Teil des Rohrs als Ventilkörper; in der Mitte befindet sich eine Ventilklappe zur Drosselung des Durchflusses. Es handelt sich dabei um das gebräuchlichste rotierende Regulierventil zur Steuerung des Durchflusses. Eignet sich für Niedrigdruck-, Mitteldruckanwendungen oder in sehr seltenen Fällen für Anwendungen mit hohem statischem Druck und hohem Durchfluss, wobei der Druckunterschied begrenzt ist. Er ist klein und leicht – im Vergleich zu sphärischen Regelventilen derselben Durchmesserklasse ist er 4–10 Mal leichter. Das Verhältnis von Durchmesser zu Preis ist gering. Er eignet sich besonders für Anwendungen mit großen Durchmessern. Je größer der Durchmesser des Regelventils, desto ausgeprägter ist diese Eigenschaft. Im Allgemeinen wird bei DN>300 mm in der Regel eine Schmetterlingsventil verwendet. 1.1.8 Kugelventile Kugelventile sind ein etabliertes, bewährtes Produkt. Es gibt Kugelventile mit „O“-Form und „V“-Form. Sie weisen den einfachsten Durchflussweg auf, verursachen den geringsten Widerstand sowie die geringsten Verluste. Zudem haben sie die beste Selbstreinigungsfunktion. “Die O-Ring-Ventil ist ein Regulierventil ohne Widerstand. Im Vergleich zu Ventilen derselben Bauart weist es den höchsten Nennstromkoeffizienten auf. Es wird häufig in Anwendungen mit hohem Durchfluss sowie bei Verwendung von unreinen Medien eingesetzt ； “Die V-förmigen Kugelventile weisen eine annähernd logarithmische Durchflusscharakteristik auf und haben einen hohen Regelbereich. Wenn der „V“-förmige Kugelkern sich gegenüber dem Ventil sitz dreht, entsteht ein Scherkräfteeffekt. Dadurch eignen sie sich besonders zur Steuerung und Abschaltung von Medien mit hoher Viskosität, Suspensionen sowie unreinen, faserhaltigen Flüssigkeiten. Die Preise für Ballventile sind ziemlich hoch. 1.1.9 Exzenterdrehventil, auch als Kammenbiegeventil bezeichnet, vereint die Vorteile von Kugelventilen und Schmetterlingsventilen. Es weist einen einfachen Durchflussweg auf, verfügt über gute „Selbstreinigungseigenschaften“ sowie eine gute Regulierfähigkeit. Es eignet sich für Anwendungen mit kristallinen, trüben oder schmutzigen Medien ； Der Ventilkörper ist klein und leicht; er kann an beliebiger Stelle vor Ort flexibel montiert werden, ohne dass irgendwelche Teile ausgetauscht werden müssen ； Der Nennstromkoeffizient ist hoch – er liegt um 10% bis 30% über dem der Ein- und Zweistellventile derselben Größe. Zudem ist das Regulierungsverhältnis groß und kann bis zu 100:1 betragen ； Die Dichtung des Ventilsitzes ist zuverlässig. Durch die flexible Wirkung der Stützarme des Ventilkörpers sowie die schiefen Rotationsbewegungen der Kugel im Ventilkörper verringert sich der erforderliche Bedienmoment. Dadurch werden einige Asymmetrien ausgeglichen, wodurch das Ventil auch bei offener und geschlossener Position sowie unter hohem Druckunterschied stabil funktioniert ； Bei der proportionalen Regelung ist ein Positionierer erforderlich; durch Änderung der Position der Auswuchtplatte im Positionierer kann leicht eine lineare oder gleichprozentuale Durchflusscharakteristik erzielt werden. 1.2 Auswahl von speziellen Regelventilen Für spezielle Anwendungen können auf der Grundlage der oben genannten Regelventile die Ventildeckel verlängert sowie Kühlrippen hinzugefügt werden, um den Einsatz bei niedrigen und hohen Temperaturen zu ermöglichen ； Ein Antrieb mit mehreren Federn kann das Volumen und das Gewicht der gesamten Regulierventil ein reduzieren ； Durch die Anwendung einer Reihe von Geräuschreduzierungsmaßnahmen kann ein niedergeräuschiger Regelventil entworfen werden. Außerdem gibt es Steuerventile mit getrennter Ventilgehäusestruktur, die zur erleichterten Wartung und Reinigung konzipiert sind ； Schnellabschaltregelventil für die schnellen Anforderungen an gekoppelte Abläufe ； Regelventil für niedrige Durchflussmengen, entwickelt für Anforderungen an die Steuerung von geringen Durchflüssen ； Dazu gehören Dämpfungsventile und ähnliche Vorrichtungen zur Verhinderung von Leckagen. Diese speziellen Arten von Regelventilen sind speziell dafür konzipiert, Anforderungen in bestimmten Produktionsprozessen oder in bestimmten Anwendungsbereichen zu erfüllen. Es handelt sich dabei um Nicht-Standard-Ventile. Sie zeichnen sich durch komplexe Betriebsbedingungen, hohe Anforderungen an die Nutzung sowie kleine Produktionsmengen aus. Diese Regelventile werden in der Regel aus Standardprodukten entwickelt und weiterentwickelt, um den Anforderungen gerecht zu werden. Daher sollte zunächst die Grundform auf der Grundlage der Nicht-Spezialität bestimmt werden, anschließend dann die entsprechenden abgewandelten Formen sowie Materialien usw. in Abhängigkeit von den Besonderheiten festgelegt werden. 2 Auswahl der Anbaugeräte Zu den Hauptanbaugeräten für Regelventile gehören: Ventilpositionierer, Ventilstellungsschalter, pneumatische Halteventile, pneumatische Relais, Elektromagnete, Luftfilter und Druckreduzierer, Handradmechanismen, Ventilstellungssender sowie Wandler usw. Dazu gehören elektrische und pneumatische Ventilpositionierer, die hauptsächlich dazu dienen, die Leistungsmerkmale von Regelventilen zu verbessern, eine genaue Positionierung zu gewährleisten, die Linearität der Ventilposition zu erhöhen, Verzögerungen bei der Übertragung der Regelungssignale zu verringern, die Durchflusseigenschaften der Regelventile zu verändern sowie den Antwortbereich der Regelventile auf Signaldrücke anzupassen. Dadurch wird eine stufenweise Steuerung sowie eine genaue Positionierung ermöglicht. Es ist eines der wichtigsten Zubehörteile einer Regulierventil – seine Qualität hat direkten Einfluss auf die Leistung und Qualität des Regulierventils sowie des gesamten Regelungssystems. Im Folgenden werden die wichtigsten Faktoren erläutert, die bei der Auswahl eines Ventilpositioniers berücksichtigt werden müssen: 1) Ob der Ventilpositionierer eine „Stufenfunktion“ besitzt – das heißt, ob er nur auf einen bestimmten Bereich des Eingangssignals reagiert. Wenn der Ventilpositionierer diese Funktion erfüllen kann, kann man je nach Bedarf mit einem Eingangssignal zwei oder mehr Regulierventile steuern ； 2) Ist die Einstellung des Nullpunkts und des Messbereichs einfach? Ist die Kalibrierung unabhängig durchführbar? Wie ist die Stabilität? ； 3) Wie hoch ist die Genauigkeit des Ventilpositioniers? Im idealen Betriebszustand sollte bei einem bestimmten Eingangssignal das Innere der Regulierventile – einschließlich des Ventilkörpers, des Ventilstabes und der Ventilsitze – jedes Mal genau in der gewünschten Position angeordnet sein, unabhängig von der Richtung der Bewegung oder von der Belastung, der das Innere des Regulierventils ausgesetzt ist ； 4) Wie hoch ist die Schaltgeschwindigkeit des Ventilpositioniers und wie sind seine Frequenz Eigenschaften? Denn der Ventilpositionierer kann ständig das Eingangssignal mit der Ventilposition vergleichen und seine eigene Ausgabe entsprechend der Differenz zwischen ihnen anpassen. Wenn der Ventilpositionierer schnell auf solche Abweichungen reagiert, dann ist die Menge des durchfließenden Mediums pro Zeiteinheit groß. Dadurch reagiert das Regelungssystem schneller auf Veränderungen des Setpoints und der Last – das bedeutet, die Fehler des Systems sind geringer und die Steuerungsqualität ist besser. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Frequenzcharakteristik ist, also je empfindlicher die Antwort auf Frequenzen ist, desto besser ist die Steuerleistung. Es ist zu beachten, dass bei der Bewertung der Frequenzcharakteristik eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden angewandt werden sollte – anstatt sich ausschließlich auf die Theorie zu verlassen. Zudem müssen die experimentellen Verfahren bei der Bewertung stabil und wissenschaftlich fundiert sein. Gleichzeitig sollten Ventilpositioner und Aktuatoren gemeinsam betrachtet werden ； 5) Wie verändert sich die Positioniergenauigkeit, wenn ein Ventilpositionierer mit einem Regelventil kombiniert wird? Die Positioniergenauigkeit hat einen sehr deutlichen Einfluss auf die Steuerqualität des Regelsystems. Je höher die Genauigkeit ist, desto näher liegt die Position der Regelventile am idealen Wert. Dadurch können die durch übermäßige Regulierung entstehenden Schwankungen effektiv eingedämmt werden. Auf diese Weise kann letztendlich das periodische Schwanken der zu regelnden Größe eingeschränkt werden. 6) Ist der maximale zulässige Druck des Ventilpositioniers mit dem zulässigen Betriebsdruck des Aktors vereinbar, sind die Montage und Verbindung einfach, wie hoch ist der Wartungsaufwand sowie das Ausmaß der Wartung usw.? Abgesehen von den Ventilpositionierern sind die anderen Arten von Zubehör relativ einfach und müssen hier nicht erneut erwähnt werden. Alle Anhänge erfüllen eine ergänzende Funktion und sorgen dafür, dass die Regelventile ordnungsgemäß funktionieren. Bei der Auswahl sollte das Prinzip gelten: Nur das Notwendige wird hinzugefügt, das Unnötige weggelassen – andernfalls steigen nur die Betriebskosten des Steuerungssystems und die Zuverlässigkeit sinkt. 3 Fazit: Die richtige Auswahl des Regelventils ist der erste und wichtigste Schritt für eine effektive Nutzung des Regelventils. Die Qualität der Auswahl hat direkten Einfluss auf die Leistung des Regelventils und somit auch auf die Qualität der Steuerung des Systems. Natürlich ist die Auswahlprozess recht komplex und zugleich eine Wissenschaft, die im praktischen Einsatz ständig erforscht und zusammengefasst werden muss. Daher ist es notwendig, bei der Auswahl von Regelventilen – unter Berücksichtigung des entsprechenden Fachwissens – bestimmte Methoden und Techniken zu beherrschen. Nur so kann das Ventil wirklich seine Rolle als „Hände und Füße“ in der Automatisierung von Industrieprozessen erfüllen.