Verhindern von Wasserschlägen mit Stellantrieben mit variabler Geschwindigkeit

Wasserschläge können in Pumpsystemen ein großes Problem darstellen und sollten aus mehreren Gründen von Konstrukteuren in Betracht gezogen werden. Wenn es nicht behoben wird, kann es eine Vielzahl von Problemen verursachen, von beschädigten Rohrleitungen und Halterungen bis hin zu gerissenen und gebrochenen Rohrleitungskomponenten. Im schlimmsten Fall kann es sogar zu Verletzungen des Anlagenpersonals kommen.

Ein Wasserschlag tritt auf, wenn in einem Rohrleitungssystem ein Anstieg des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit auftritt, der zu schnellen Druck- oder Kraftänderungen führt. Hohe Drücke können zu Störungen im Rohrleitungssystem führen, beispielsweise zu undichten Verbindungen oder Rohrbrüchen. Stützkomponenten können auch starken Kräften durch Druckstöße oder sogar plötzliche Strömungsumkehr ausgesetzt sein. Wasserschläge können bei jeder Flüssigkeit in jedem Rohr auftreten, ihre Schwere variiert jedoch je nach den Bedingungen der Flüssigkeit und des Rohrs. Normalerweise tritt dies bei Flüssigkeiten auf, kann aber auch bei Gasen auftreten.

Ein erhöhter Druck entsteht jedes Mal, wenn eine Flüssigkeit durch den Zustand der Pumpe beschleunigt oder behindert wird oder wenn sich die Ventilstellung ändert. Normalerweise ist dieser Druck gering und die Änderungsrate erfolgt allmählich, sodass ein Wasserschlag praktisch nicht wahrnehmbar ist. Unter bestimmten Umständen kann ein Druck von mehreren Pfund entstehen und die Kräfte auf die Stützen können so groß sein, dass sie ihre Konstruktionsspezifikationen überschreiten. Das schnelle Öffnen oder Schließen eines Ventils führt zu Druckschwankungen in Rohrleitungen, die zu Drücken führen können, die weit über den stationären Werten liegen, was zu Wasserstößen führen kann, die Rohre und Prozesssteuerungsgeräte schwer beschädigen können. Die Bedeutung der Kontrolle von Wasserschlägen in Pumpstationen ist bei Versorgungsunternehmen und Pumpstationen weithin anerkannt.

Zu den typischen Auslösern von Wasserschlägen zählen das Starten/Abschalten der Pumpe, ein Stromausfall und das plötzliche Öffnen/Schließen von Leitungsventilen. Ein vereinfachtes Modell der fließenden zylindrischen Flüssigkeitssäule würde einem Metallzylinder ähneln, der plötzlich von einer Betonwand gestoppt wird. Um diese Wasserschlagprobleme in Pumpsystemen zu lösen, müssen entweder die Auswirkungen reduziert oder das Auftreten verhindert werden. Es gibt viele Lösungen, die Systementwickler bei der Entwicklung eines Pumpsystems berücksichtigen müssen. Zur Aufnahme von Druckstößen können Druckbehälter, Wasserschlosskammern oder ähnliche Speicher eingesetzt werden, die allesamt nützliche Hilfsmittel im Kampf gegen Wasserschläge sind. Allerdings ist es oft die bessere Strategie, die Druckstöße von vornherein zu verhindern. Dies kann erreicht werden, indem ein Multiturn-Antrieb mit variabler Geschwindigkeit verwendet wird, um die Geschwindigkeit der Ventilschließgeschwindigkeit am Auslass der Pumpe zu steuern.

Die Weiterentwicklung von Stellantrieben und deren Steuerungen bietet Möglichkeiten, sie zur Verhinderung von Wasserschlägen einzusetzen. Hier sind drei Fälle, in denen die Beseitigung von Wasserschlägen eine zentrale Anforderung war. In allen Fällen war eine lineare Kennlinie für die Durchflussregelung einer Großvolumenpumpe unerlässlich. Wäre dies nicht gelungen, hätte es einen Hammereffekt gegeben, der möglicherweise das Wassersystem der Station beschädigt hätte.

Design-Herausforderung

Die Southern Booster Pump Station des East Cherry Creek Valley (ECCV) in Colorado wurde mit Hochleistungspumpen ausgestattet und verwendete Pumpenrückschlagventile zur Durchflusskontrolle. Um Wasserschläge und möglicherweise schwerwiegende Systemschäden zu vermeiden, erforderte die Anwendung eine lineare Durchflusscharakteristik. Die Designherausforderung bestand darin, einen linearen Durchfluss von einem Kugelhahn zu erhalten, der beim Schließen/Öffnen typischerweise nichtlineare Durchflusseigenschaften aufweist.

Lösung

Durch die Verwendung eines Stellantriebs mit variabler Geschwindigkeit wurde die Ventilposition so eingestellt, dass über Zeitintervalle unterschiedliche Hubpositionen erreicht wurden. Dadurch könnte das Kugelventil mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geschlossen/geöffnet werden, um eine linearere Änderung des Flüssigkeitsflusses zu erreichen. Darüber hinaus kann der Aktor jetzt so eingestellt werden, dass er bei einem Stromausfall das Ventil schließt und das System bei einer vorgegebenen Notkurve entleert.

Der gewählte Stellantrieb mit variabler Geschwindigkeit hatte die Fähigkeit, die Ventilposition auf der Grundlage voreingestellter Zeiten zu steuern. Der Stellantrieb kann für bis zu 10 Zeitsollwerte mit entsprechenden Ventilpositionen programmiert werden. Die Geschwindigkeit des Öffnens oder Schließens des Ventils könnte dann gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Sollposition zum richtigen Zeitpunkt erreicht wird. Diese erweiterte Flexibilität führt zu einer Linearisierung der Ventileigenschaften und ermöglicht die Auswahl des Ventils mit vollem Anschluss und/oder einen deutlich reduzierten Wasserschlag beim Schließen der Ventile. Die integrierten Steuerungen der Aktoren wurden so programmiert, dass sie während des normalen Pumpenbetriebs eine lineare Beschleunigung und Verzögerung des Wassers bewirken. Darüber hinaus sorgten die Stellantriebe im Falle eines Stromausfalls für ein schnelles Schließen durch Unterstützung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Außerdem wurde eine lineare Änderung der Durchflussrate bereitgestellt, die minimale Systemtransienten und eine einfache Kalibrierung/Anpassung der Geschwindigkeits-Zeit-Kurve gewährleistete.

Aufgrund seiner Fähigkeit zur variablen Geschwindigkeit erfüllte der Stellantrieb mit variabler Geschwindigkeit die Herausforderungen dieser Installation. Eine wegabhängige, einstellbare Stellzeit, die von den Stellantrieben mit variabler Geschwindigkeit bereitgestellt wird, erzeugt einen linearen Durchfluss durch den Kugelhahn. Dies ermöglichte eine Feinabstimmung der Betriebsgeschwindigkeiten in zehn verschiedenen Positionen, um Wasserschläge zu verhindern.

Design-Herausforderung

In der Gegend von Oura, Australien, wird Wasser aus mehreren Bohrlöchern in einen Sammeltank gepumpt, der dann in einen Vorratstank gepumpt wird. Drei Pumpen sind jeweils mit 12-Zoll-Absperrklappen zur Steuerung des Wasserflusses ausgestattet.

Um die Ventilsitze vor Schäden durch Wasserkavitation oder dem Trockenlaufen der Pumpen bei Wasserverlust zu schützen, müssen die Absperrklappen schnell schließen können. Ein solcher Vorgang erzeugt enorme hydraulische Kräfte, die als Wasserschlag bekannt sind. Diese Kräfte reichen aus, um Rohrleitungsschäden zu verursachen, und müssen vermieden werden.

Lösung

Durch die Ausstattung der Ventile mit Schwenkantrieben mit variabler Geschwindigkeit können während des Ventilbetriebs unterschiedliche Schließgeschwindigkeiten eingestellt werden. Beim Schließen von Vollöffnung bis 30 % Öffnung wird eine schnelle Schließgeschwindigkeit eingestellt. Um Wasserschläge zu vermeiden, verlangsamt sich der Antrieb während der Öffnungsphase von 30 % bis 5 % auf ein Achtel seiner vorherigen Geschwindigkeit. Schließlich beschleunigt der Antrieb während der letzten 5 % bis zum vollständigen Schließen wieder, um Kavitation und daraus resultierende Schäden am Ventilsitz zu reduzieren. Die gesamte Betriebszeit des Ventils vom Öffnen bis zum Schließen beträgt etwa dreieinhalb Minuten.

Der gewählte Stellantrieb mit variabler Geschwindigkeit hatte die Fähigkeit, die Ausgangsgeschwindigkeit basierend auf seiner Fahrposition zu ändern. Diese erweiterte Flexibilität führte zu einer Linearisierung der Ventileigenschaften, was eine einfachere Ventilauswahl ermöglichte und Wasserschläge reduzierte. Die Ventilgeschwindigkeit wird durch maximal 10 Stützpunkte definiert, die in Schritten von 1 % der Öffnungsposition präzise eingestellt werden können. Abhängig vom Antriebstyp können dann Geschwindigkeiten für bis zu sieben Werte (n1–n7) eingestellt werden.

Design-Herausforderung

In Mid Cheshire, Vereinigtes Königreich, nutzte ein Chemieunternehmen mehrere hundert Solebrunnen, von denen jeder Pumpen nutzte, um die Sole vom Brunnen zu den Sättigungseinheiten zu transportieren. Der Durchfluss wird mithilfe von Absperrklappen für die Pumpenförderung gesteuert, die von Aktoren angetrieben werden.

Wenn im Normalbetrieb ein verringerter Durchfluss festgestellt wird, wird der Aktuator, der das Ventil steuert, über einen Zeitraum von 80 Sekunden geöffnet. Wenn jedoch ein Rückfluss erkannt wird, muss das Ventil zum Schutz der Pumpe innerhalb von 10 Sekunden geschlossen werden. Für den Schutz der Pumpe sind beim Öffnen, Schließen und Notschließen unterschiedliche Betätigungsgeschwindigkeiten erforderlich.

Lösung

Der Stellantrieb mit variabler Geschwindigkeit ist in der Lage, bis zu sieben verschiedene Öffnungs-/Schließgeschwindigkeiten bereitzustellen. Diese können unabhängig voneinander für Öffnen, Schließen, Not-Öffnen und Not-Schließen programmiert werden.

Die Verbesserung der Ventilmodulation ist eine Lösung, die bei der Beseitigung von Wasserschlägen in einem Pumpsystem in Betracht gezogen werden sollte. Aktuatoren und Steuerungen mit variabler Geschwindigkeit bieten Pumpensystementwicklern die Flexibilität, die Betriebsgeschwindigkeit des Ventils und die Genauigkeit beim Erreichen von Sollwerten kontinuierlich zu steuern, eine weitere Aufgabe neben der Regelung im geschlossenen Regelkreis.

Darüber hinaus kann durch die Betätigung mit variabler Geschwindigkeit eine sichere Notabschaltung gewährleistet werden. Durch die Möglichkeit, den Betrieb über ein Notstromaggregat der Pumpstation weiterzuführen, kann die Antriebstechnik eine ausfallsichere Option bieten.

Mit anderen Worten: Bei einem Stromausfall schließt der Stellantrieb im Notbetrieb mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und nutzt dabei den Strom aus einer USV-Anlage, sodass die Anlage entladen werden kann. Die Stellzeitkurven sind für die Schließ-/Auf-Richtung und den Notbetrieb individuell programmierbar.

Multiturn-Antriebe mit variabler Geschwindigkeit sind auch eine Lösung für Situationen im Auf-Zu-Betrieb. Diese Konstruktion ermöglicht einen sanften Start aus der Anfangsposition und einen sanften Stopp beim Erreichen der Endposition. Dieses Maß an Kontrolle vermeidet mechanische Druckstöße (z. B. Wasserschläge), die zu einer vorzeitigen Verschlechterung der Komponenten beitragen können. Die Fähigkeit des Stellantriebs mit variabler Geschwindigkeit, diese Steuerung bereitzustellen, wirkt sich positiv auf die Wartungsintervalle aus und verlängert die Lebensdauer der Systemkomponenten.

Craig Mizer ist technischer Leiter bei AUMA Actuators, Inc. mit Sitz in Canonsburg, Pennsylvania. Mizer überwacht die technischen Aktivitäten zur Unterstützung des nordamerikanischen Vertriebs und der Produktion von AUMA. Weitere Informationen finden Sie unter auma.com.