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Absperrklappen sind leichter, kleiner und leichter als andere Arten von Regelventilen, was sie zur besten Wahl für die Durchflussregelung in vielen Anwendungen macht. Traditionell werden Standard-Absperrklappen in automatischen Ein-/Aus-Anwendungen verwendet und sind für diese Aufgabe perfekt geeignet. Einige Ingenieure halten sie jedoch für inakzeptabel, wenn es um die Durchflussregelung in einem geschlossenen Kreislaufsystem geht.
Absperrklappen verwenden rotierende Scheiben, um den Durchfluss durch Rohre zu steuern. Scheiben arbeiten normalerweise um 90 Grad, weshalb sie manchmal auch als Winkeldrehventile bezeichnet werden. Normalerweise werden sie verwendet, wenn es um Wirtschaftlichkeit geht. Wenn eine dichte Absperrung erforderlich ist, können Absperrklappen mit weichen Elastomerdichtungen und/oder beschichteten Scheiben verwendet werden, um die erforderliche Leistung zu erzielen. Hochleistungs-Absperrklappen (HPBVs) – oder Doppel-Offset-Ventile – sind heute der Industriestandard für Absperrklappen und werden häufig zur Drosselsteuerung verwendet. Sie eignen sich gut für Anwendungen mit relativ konstanten Druckabfällen oder langsamen Prozesszyklen.
Zu den Vorteilen von HPBV gehören ein gerader Durchflussweg, eine hohe Kapazität und die Fähigkeit, feste und viskose Medien problemlos durchzulassen. Sie weisen im Allgemeinen die niedrigsten Installationskosten aller Ventiltypen auf, insbesondere bei NPS 12 und größeren Größen. Ihr Kostenvorteil ist im Vergleich zu anderen Ventiltypen bei Größen über 12 Zoll noch größer.
Sie bieten eine gute Absperrleistung über einen weiten Temperaturbereich und sind in verschiedenen Gehäuseausführungen erhältlich, darunter Wafer-, Lug- und Doppelflanschausführung. Sie sind wesentlich leichter und kompakter als andere Ventiltypen. Beispielsweise wiegt ein 12-Zoll-ANSI-Klasse 150-Doppelflansch-Segmentkugelhahn 350 Pfund und hat eine Baulänge von 13,31 Zoll, während ein entsprechendes 12-Zoll-Lug-Absperrventil nur 200 Pfund wiegt und eine Baulänge von 3 Zoll aufweist.
Absperrklappen unterliegen einigen Einschränkungen, die sie für die Durchflussregelung in bestimmten Anwendungen ungeeignet machen. Dazu gehört die im Vergleich zu Kugelhähnen begrenzte Druckabfallkapazität, bei der es häufiger zu Kavitation oder Entspannungsverdampfung kommt.
Da die große Oberfläche der Scheibe wie ein Hebel wirkt und die dynamische Kraft des fließenden Mediums auf die Antriebswelle überträgt, werden herkömmliche Absperrklappen in der Regel nicht für Hochdruckanwendungen eingesetzt. Wenn dies der Fall ist, sind Größe und Auswahl des Antriebs von entscheidender Bedeutung.
Absperrklappen sind manchmal überdimensioniert, was sich negativ auf die Prozessleistung auswirken kann. Dies kann auf die Verwendung von Ventilen in Leitungsgröße zurückzuführen sein, insbesondere von Absperrklappen mit hoher Kapazität. Dadurch kann die Prozessvariabilität auf zwei Arten erhöht werden. Erstens kann eine Überdimensionierung dem Ventil zu viel Verstärkung verleihen, wodurch weniger Flexibilität bei der Anpassung des Reglers bleibt. Zweitens kann ein überdimensioniertes Ventil bei geringerer Ventilöffnung häufiger arbeiten und die Dichtungsreibung bei einer Absperrklappe kann größer sein. Da ein überdimensioniertes Ventil bei einer gegebenen Ventilhuberhöhung eine unverhältnismäßig große Durchflussänderung erzeugt, übertreibt dieses Phänomen die Prozessvariabilität, die mit der reibungsbedingten Totzone verbunden ist, erheblich.
Planer verwenden manchmal Absperrklappen, um Kosten zu sparen oder um sie ungeachtet ihrer Einschränkungen an eine bestimmte Leitungsgröße anzupassen. Es gibt einen Trend zu überdimensionierten Absperrklappen, um ein Einklemmen der Rohre zu vermeiden, was zu einer schlechten Prozesskontrolle führen kann.
Die größte Einschränkung besteht darin, dass der ideale Drosselklappen-Regelbereich nicht so groß ist wie bei einem Kugelhahn oder einem Kugelsegmenthahn. Die Leistung von Absperrklappen außerhalb des Regelbereichs von etwa 30 bis 50 % Öffnungswinkel ist normalerweise nicht optimal.
Im Allgemeinen lässt sich die Schleife am einfachsten steuern, wenn die Steuerschleife linear arbeitet und die Prozessverstärkung nahe bei 1 liegt. Daher wird eine Prozessverstärkung von 1,0 zum Ziel für eine gute Schleifensteuerung, mit einem akzeptablen Bereich von 0,5 bis 2,0 (ein Bereich von 4:1).
Die Leistung ist am besten, wenn der Großteil der Schleifenverstärkung vom Controller kommt. Beachten Sie, dass in der Verstärkungskurve von Abbildung 1 die Prozessverstärkung im Bereich unter etwa 25 % des Ventilhubs ziemlich hoch wird.
Die Prozessverstärkung definiert die Beziehung zwischen der Änderung von Prozessausgabe und -eingabe. Ein Hub, bei dem die Prozessverstärkung zwischen 0,5 und 2,0 bleibt, ist der optimale Regelbereich für das Ventil. Wenn die Prozessverstärkung nicht im Bereich von 0,5 bis 2,0 liegt, kann es zu schlechter dynamischer Leistung und Regelinstabilität kommen.
Das Design der Drosselklappenscheibe hat einen erheblichen Einfluss auf den Ventildurchfluss, wenn das Ventil von geschlossen auf geöffnet geht. Scheiben mit inhärenten gleichprozentigen Eigenschaften können Druckabfälle, die mit dem Durchfluss variieren, besser ausgleichen. Gleichprozentige Verkleidungen bieten lineare Montageeigenschaften für variierende Druckabfälle, was ideal ist. Das Ergebnis ist eine präzisere, eins-zu-eins-Variation zwischen Durchfluss und Ventilhub.
Bei Absperrklappen wurden vor kurzem Scheiben mit inhärenten gleichprozentigen Durchflusseigenschaften eingeführt. Dies bietet eine Installationsfunktion, die bei größeren Hüben eine Verstärkung des Installationsprozesses im gewünschten Bereich von 0,5 bis 2,0 ermöglicht. Dies verbessert die Drosselklappensteuerung erheblich, insbesondere im unteren Hubbereich.
Dieses Design ermöglicht eine gute Regelung mit einem akzeptablen Gewinn von 0,5 bis 2,0 von ungefähr 11 % Öffnung bis 70 %. Dies entspricht einer fast dreifachen Erhöhung des Regelbereichs im Vergleich zu einem typischen Hochleistungs-Absperrventil (HPBV) der gleichen Größe. Daher sorgen gleiche Prozentsätze von Scheiben für eine insgesamt geringere Prozessvariabilität.
Absperrklappen mit gleichprozentiger Charakteristik, wie z. B. die Control-Disk-Klappe, eignen sich ideal für Prozesse, die eine präzise Drosselregelung erfordern. Sie können unabhängig von Prozessstörungen näher am Zielsollwert geregelt werden, wodurch die Prozessvariabilität reduziert wird.
Wenn die Leistung der Absperrklappe nicht optimal ist, lässt sich das Problem einfach durch den Austausch gegen eine Absperrklappe mit der richtigen Größe beheben. Ein Papierhersteller verwendet beispielsweise zwei überdimensionierte Absperrklappen zur Regelung der Feuchtigkeitsentfernung aus dem Zellstoff. Beide Absperrklappen wurden mit einem Hub von weniger als 20 % betrieben, was zu einer Prozessvariabilität von 3,5 % bzw. 8,0 % führte. Den größten Teil ihrer Lebensdauer verbringen sie im manuellen Modus.
Es wurden zwei entsprechend dimensionierte Fisher Control-Disk-Absperrklappen NPS 4 mit digitalem Ventilregler eingebaut. Der Kreislauf läuft jetzt im Automatikmodus mit einer Prozessvariabilität von 3,5 % bis 1,6 % für das erste Ventil und 8 % bis 3,0 % für das zweite Ventil ohne spezielle Kreislaufabstimmung.
Schlechter Wasserdruck und schlechte Durchflusskontrolle im Kühlsystem des Stahlwerks führten zu inkonsistenten Endprodukten. Die neun installierten HPBVs waren nicht in der Lage, den Wasserdurchfluss wie erforderlich effektiv zu regeln.
Das Werk wollte Ventile einbauen, mit denen sich der Prozess besser steuern lässt, und musste die Installationskosten minimieren. Das Werk wird 10.000 US-Dollar dafür aufwenden, die Rohrleitungen für jedes Ventil zu ersetzen und von HPBV auf segmentierte Kugelhähne umzusteigen. Stattdessen empfiehlt Emerson die Verwendung eines Control-Disk-Absperrventils, das die Baulängenmaße aktueller HPBVs erfüllt.
Ein Control-Disk-Ventil wurde parallel zu einem der neun vorhandenen HPBVs getestet und erfüllte die angegebenen Anforderungen. Das Werk ersetzte innerhalb eines Jahres die verbleibenden acht HPBVs, die jeweils mit einem Control-Disk-Ventil ausgestattet waren. Dadurch entfiel die Notwendigkeit, die 90.000 US-Dollar teuren Leitungen für das Segmentkugelventil zu ersetzen. Zudem kostete das Kugelventil etwa 25 % mehr als die Absperrklappe.
Control-Disk-Ventile ermöglichen eine präzise Steuerung und tragen dazu bei, Abweichungen im Endprodukt zu vermeiden. Das Werk schätzt, dass durch den Einbau von neun Control-Disk-Ventilen jährlich etwa 1 Million US-Dollar eingespart werden können.
Im Vergleich zu den meisten anderen Ventiltypen sind die Anschaffungskosten von HPBVs mit digitalen Stellungsreglern geringer und bei richtiger Dimensionierung bieten sie einen angemessenen Regelbereich. Sie verfügen über eine hohe Kapazität und minimale Durchflussbeschränkungen. Absperrklappen mit integrierten gleichprozentigen Innengarnituren bieten die Möglichkeit, den Regelbereich ähnlich wie Durchgangs- oder Kugelhähne zu erweitern und benötigen dabei nur den Platz des HPBV.
Achten Sie bei der Auswahl von Ventilen, insbesondere HPBVs, auf die richtige Größe, da sie sonst möglicherweise manuell vom Kontrollraum aus gesteuert werden. Außerdem müssen Ventilbauart, inhärente Eigenschaften und Ventilgröße berücksichtigt werden, um den größtmöglichen Regelbereich für die Anwendung zu gewährleisten.
Mark Nymeyer ist Global Marketing Communications Manager bei Emerson Automation Solutions und verantwortlich für die Verkehrssteuerung.
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Veröffentlichungszeit: 20. Januar 2022
