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Kostenbremse für Dampfsysteme Dampfverbrauch um bis zu 30 % senken

| Autor / Redakteur: Dr. Rainer Lange, Peter Stein / Wolfgang Ernhofer

Für sehr kurze Reaktionszeiten eines Stellgliedes sind kleine Stellwege, kleine Antriebsvolumina und daraus resultierende geringe Antriebskräfte die wichtigsten Voraussetzungen. All diese Eigenschaften, mit denen der Dampfverbrauch in Anlagen erheblich gesenkt werden kann, vereinen Gleitschieberventile in sich.

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Mithilfe eines Gleitschieber-ventils können Kosten fürDampfsysteme eingespartwerden.
Mithilfe eines Gleitschieber-ventils können Kosten fürDampfsysteme eingespartwerden.
(Bild: Schubert & Salzer)

Die erreichbare Regelgüte in einer Dampfanlage ist stark von der Dynamik des Gesamtsystems aus Stellglied, Stellantrieb und Regler abhängig. Die für das dynamische Verhalten relevanten regelungstechnischen Parameter von Gleitschieberventilen sind denen konventioneller Stellgeräte deutlich überlegen. Die daraus resultierende sehr hohe Dynamik verbessert nicht nur die Regelgüte, sondern bildet auch die Basis für Regelkreise mit sehr kurzen Reaktionszeiten. Dies erweist sich als der entscheidende Schlüssel zu Dampfeinsparungen von bis zu 30 %. Aktuelle Vergleiche von Dampfanlagenbetreibern zeigen, dass solche Einsparpotenziale allein durch den Ersatz eines traditionellen Regelventils durch ein Gleitschieberventil erreichbar sind.

Beim Gleitschieberventil bewegen sich zwei aufeinander gleitende, geschlitzte Scheiben quer zur Strömungsrichtung. Das Gleitschieberventil dichtet also ohne jeglichen metallischen Sitz. Der typische Hub zwischen offen und geschlossen beträgt nur 6 bis 9 mm. Einer der markantesten Vorteile, die sich aus diesem Funktionsprinzip ergeben, ist die geringe Antriebskraft für die Stellbewegungen. Diese Antriebskraft F lässt sich über den Reibwert µ der Gleitpaarung, der der Strömung ausgesetzten Schlitzfläche ASchlitz und dem Differenzdruck Δp mit F1 = µ ASchlitz Δp für das Gleitschieberventil ermitteln. Der Kraftbedarf für ein zum Vergleich herangezogenes Sitz-Kegel-Ventil berechnet sich aus F2 = ASitz Δp. Aus dem mathematisch ableitbaren Verhältnis dieser beiden Kräfte ergibt sich F1 / F2 = µASchlitz/ASitz = 0,1 für Ventile mit gleichem Kvs-Wert und bei gleichem Differenzdruck. Das Gleitschieberventil benötigt also nur ein Zehntel der Antriebskraft, die ein Sitz-Kegel-Ventil unter gleichen Prozessbedingungen benötigt. Als direkte Folge daraus ergibt sich natürlich auch ein entsprechend leichterer und kleinerer Ventilantrieb für Gleitschieberventile.

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Regeldynamik in Höchstleistung

Eine regelungstechnische Bewertung der Dynamik eines Stellventils kann über die Analyse seines Frequenzgangs erfolgen. Eine entsprechende experimentelle Untersuchung wurde für verschiedene Stellventil-Systeme durchgeführt. Zusammenfassend kann aus dieser abgeleitet werden, dass der Einsatz von Gleitschieberventilen in einem Regelkreis zu höheren kritischen Verstärkungen führt. Damit kann zum einen der Prozessregler „aggressiver“ eingestellt werden, zusätzlich reduziert sich das Überschwingen beim Anfahren eines veränderten Sollwerts, der zudem auch noch schneller erreicht wird. Anlagen- und prozessabhängig kann damit bereits allein der Austausch eines Sitz-Kegelventils gegen ein Gleitschieberventil zusätzliche Einsparpotenziale erschließen. So werden z.B. die während eines Überschwingvorgangs unnötig ins System eingespeisten Dampfmengen reduziert. Die hierdurch erzielbare Nachhaltigkeit dokumentieren die Zahlen von Betreibern verschiedener Dampfsysteme.

Chinesischer Tabakhersteller verringert Dampfverbrauch um 30 %

In den drei Linien des chinesischen Tabakherstellers Hongta Tobacco wird der Tabak mit verschiedenen Temperaturen konditioniert. Die genaue Temperatureinstellung von 60, 65 oder 70 °C ist die qualitätsentscheidende Prozessgröße. Hierfür benötigte Hongta Tobacco bisher je nach geforderter Temperatureinstellung bis zu 990 kg Dampf pro Stunde. In dieser Dampfanlage hat der Anlagenbetreiber traditionelle Sitzkegel-Ventile – ohne jede weitere Änderung an der Anlage – durch Gleitschieberventile ersetzt. Danach wurde die Temperaturführung neu eingeregelt und der dann aktuelle Dampfverbrauch mit folgenden markanten Ergebnissen gemessen. Der Dampfverbrauch sank demnach in der

  • 60 Grad-Linie um 200 kg/h bzw. um 36 %,
  • 65 Grad-Linie um 200 kg/h bzw. um 25 %
  • 70 Grad-Linie um 150 kg/h bzw. um 17 %.

Die Investition in die Gleitschieberventile hatte sich innerhalb von wenigen Monaten amortisiert.

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