ISSN 0943-934 X K 30285 F VULKAN-VERLAG ESSEN Ausgabe 4/2011 http://www.industriearmaturen.de Simplify your actuators HOERBIGER Automatisierungstechnik GmbH Südliche Römerstraße 15 86972 Altenstadt, Deutschland Tel. +49 (0)8861 221-0 / Fax +49 (0)8861 221-1305 E-Mail: info-haut@hoerbiger.com / www.hoerbiger.com
Kompakte, autonome elektrohydraulische Armaturenantriebe Hydraulische Armaturenantriebe haben auf dem Markt ein ambivalentes Image. Einerseits begrüßen Anlagenplaner und Armaturenhersteller ihre Leistungsdichte, ihre hohe Steifigkeit und die einfache Integration von Sicherheitsfunktionen. Andererseits sehen die Benutzer in der Baugröße, der erforderlichen Verrohrung und der damit verbundenen Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Wartung erhebliche Nachteile. Mit einem neuen elektrohydraulischen Kompaktaggregat hat HOERBIGER einen Stellantrieb entwickelt, der ohne Rohrleitungen und zusätzlichen Installationsaufwand auskommt. Diese Antriebsfamilie vereint die Stärken der elektrischen und hydraulischen Antriebstechnologien: hohe Leistungsdichte, die einfache Integration von Sicherheitsfunktionen sowie eine hohe Steifigkeit und intelligente Funktionen. MARCUS GRÖDL, BABAK FARROKHZAD DIE TECHNOLOGIELÜCKE Automatisierte Armaturen werden in Anlagen zum Öffnen und Schließen von Rohrleitungen sowie zur Steuerung des Durchflusses sowohl von unter Druck stehenden Gasen als auch von Flüssigkeiten eingesetzt [1, 2]. Als Muskeln" im Regelkreis industrieller Prozesse werden automatisierte Armaturen als der wichtigste Teil [1, 2] gesehen. Für Anwendungen, bei denen hohe Kräfte oder hohe Drehmomente in Kombination mit einfacher Realisierung von Sicherheitsanforderungen bzw. hoher Regelgenauigkeit erforderlich sind, wird der Einsatz von hydraulischen Stellgliedern empfohlen. Während bei diesen Antrieben die hohe Leistungsdichte, Robustheit sowie die einfache Realisierung von Failsafe- Funktionen geschätzt werden, klagen sowohl die Nutzer als auch die Literatur über die hohen Kosten, den hohen Stromverbrauch, die höheren Wartungskosten sowie über Probleme mit Leckagen an den Rohrverbindungen. Außerdem dürfen solche Stellglieder nur dann in explosionsgefährdeten Bereichen installiert werden, wenn jede Einzelkomponente explosionsgeschützt ist. Dies erhöht deutlich die System- und Zertifizierungskosten und stellt ein weiteres Hindernis dar für den Einsatz dieser Stellglieder, vor allem in der Chemie-, Öl- und Gas-Industrie sowie in Kraftwerken. Bild 1: Elektrohydraulisches Antriebsaggregat für den explosionsgeschützen Bereich 2 Industriearmaturen
Bild 2: Kompakter, in sich geschlossener Armaturenantrieb mit elektrischem Look and Feel vereinfacht drastisch die Konstruktion, erhöht die Zuverlässigkeit und reduziert den Wartungsaufwand in der Anlage Bild 3: Elektrohydraulischer Armaturenantrieb mit Steilgewindeaktuator DIE LÖSUNG: KOMPAKTE ELEKTRO- HYDRAULISCHE ARMATURENANTRIEBE MIT ELEKTRISCHEM LOOK AND FEEL Die oben genannten Nachteile herkömmlicher elektrohydraulischer Stellglieder können mit einer neuen Generation in einer kompakten, verrohrungsfreien und modularen Bauweise überwunden werden (Bild 1). Das Konzept von HOERBIGER basiert auf einem hermetisch geschlossenen Armaturenantrieb, der die einfache Installation eines elektrischen Antriebs und zugleich die Stärken der hydraulischen Antriebstechnik aufweist wie beispielsweise ein hohes Drehmoment, leicht zu realisierende Failsafe-Funktionen usw. Die Vorteile der elektrischen und der hydraulischen Antriebstechnik werden kombiniert. Das Ergebnis ist ein elektrohydraulisches Stellglied (Bild 2), das kompakt, einfach zu installieren, wartungsfrei, verrohrungsfrei und zuverlässig ist und konfigurierbare Failsafe-Funktionen aufweist. AUFBAU UND ANKOPPLUNG AN DEN AKTUATOR In dem in Bild 3 dargestellten Aufbau besteht der Armaturenantrieb aus der Kernkomponente, einem elektrohydraulischen, explosionsgeschützen Kompaktaggregat mit den oben beschriebenen Unterscheidungsmerkmalen zu klassischen hydraulischen Antrieben. Das Kompaktaggregat wird verrohrungsfrei auf einen hydraulischen Steilgewindeaktuator montiert. Zur Vervollständigung des Systems kann die elektronische Steuerung direkt an das System angebaut oder extern in einen bestehenden Schaltschrank integriert werden. Das elektrohydraulische Aggregat kann mit den meisten verfügbaren hydraulischen Aktuatoren kombiniert werden, um den Drehmomentbereich bis zu 128 knm zu erweitern. Als Ergebnis können Kunden Standardaktuatoren wie gewohnt verwenden und brauchen keine neuen Arten von Aktuatoren zu installieren. KOMPAKTHEIT Der Armaturenantrieb ist für Anwendungen mit Drehmomenten von bis zu 64 knm bzw. 200 kn Kraft bei linearen Antrieben konzipiert. Das Kompaktaggregat hat Abmessungen von ca. 500 mm x 300 mm x 300 mm, die etwa vier bis fünf Mal kleiner sind als ein elektrisches Stellglied für ähnliche Drehmomente (Bild 4). EINFACHE INSTALLATION Die Reduktion der Schnittstellen auf eine mechanische zur Armatur und eine elektrische zur Prozessleittechnik ermöglicht eine mit elektrischen Armaturenantrieben vergleichbare einfache Installation, somit wird kein zentrales Hydraulikaggregat mit großen Tankbehältern, Speicherelementen und keine Rohrleitungen benötigt. Durch die einfache Installation, die ausschließlich die Versorgung mit elektrischer Energie voraussetzt, bieten sich die elektrohydraulischen Kompaktaggregate besonders für die Automatisierung von entfernt liegenden Armaturen an. Industriearmaturen 3
Bild 4: Das modulare Kompaktaggregat lässt sich leicht mit allen gängigen Aktuatoren verbinden und für alle Failsafe-Funktionen konfigurieren VERROHRUNGSFREIHEIT: HOHE ZUVERLÄSSIGKEIT UND WARTUNGSFREIHEIT Mit der verrohrungsfreien Bauweise des Armaturenantriebs (die Baugruppen des hermetisch geschlossenen Antriebsaggregats sind direkt aufeinander montiert) ist sichergestellt, dass es keinen Ölaustritt in den Deckel oder außerhalb des Deckels gibt. In der gleichen Weise ist das Kompaktaggregat auf den Aktuator montiert (Bild 5). Dies gewährleistet einen leckagefreien und zuverlässigen Betrieb. Außerdem schützt die gekapselte Konstruktion die Komponenten im Inneren des Armaturenantriebs gegen raue Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Korrosion. Das für hydraulische Stellglieder typische Problem interner und externer Leckagen stellt sich nicht und auch die Energie, die im Hydraulikspeicher gespeichert ist, geht nicht mit der Zeit verloren. Dies alles gewährleistet, dass die Armatur ihre Position im Betrieb konstant hält. Durch das dezentrale Konzept wird die hydraulische Energie nur nach Bedarf erzeugt, dadurch werden die Laufzeiten erheblich reduziert und das Bild 5: Der verrohrungsfreie Aufbau ermöglicht den wartungsfreien Betrieb 4 Industriearmaturen
Bild 6: Reduzierung der Installationskosten von Armaturen mit Sicherheitsfunktionen in Kraftwerken für fossile Brennstoffe Hydrauliköl bedeutend weniger belastet. Diese geringere Belastung ermöglicht den wartungsfreien Betrieb. HOERBIGER hat erfolgreich mehr als 50.000 elektrohydraulische Armaturensteuerungen von Schiffsherstellern ausgestattet, die schon heute diese Vorteile nutzen. Bild 7: Zuverlässiger Betrieb von Armaturen zum Beispiel in Salzsäure-Pipelines. Das hohe Drehmoment ermöglicht es, die Armatur zu betätigen, auch wenn sie durch Verkrustung gehemmt ist REFERENZBEISPIEL: VEREINFACHUNG INSTALLATION IM KRAFTWERK Konventionell realisierte elektrohydraulische Armaturenantriebe sind oft nicht oder nur mit Zusatzaufwand nach ATEX zertifizierbar. Demzufolge installieren die Anwender diese Stellglieder außerhalb des Ex-Bereichs. Dazu müssen in erheblichem Umfang Rohrleitungen verlegt werden: Das Medium muss zur Armatur aus dem Ex-Bereich heraus und von der Armatur wieder in den Ex-Bereich zurückgeleitet werden. Dieses Problem wird mit dem explosionsgeschützten, kompakten HOERBIGER Armaturenantrieb vermieden. Aufgrund der ATEX-Austattung und -Zertifizierung kann die Installation mit den geforderten Sicherheitsfunktionen unmittelbar im explosionsgefährdetem Bereich erfolgen (Bild 6). Für den Kunden hat das den Vorteil, dass für seine Anlage eine optimal effiziente Prozessgestaltung möglich ist und keine zusätzlichen Konstruktionslösungen für die verfügbaren Armaturenantriebe gesucht werden müssen. REFERENZBEISPIEL: HÖHERE DREHMOMENTRESERVE IN CHEMIEANLAGE Für den HOERBIGER Armaturenantrieb wurde eine gekapselte Lösung entwickelt. Sie steht auch in einer IP68-Konfiguration zur Verfügung. Deshalb kann das Aggregat gut in der chemischen Industrie in Fertigungslinien eingesetzt werden, in denen mit korrosiven Stoffen gearbeitet wird. Ein typisches Beispiel ist die Produktion von Salzsäure (Bild 7). Während des Produktionsprozesses verkrustet die Armatur, so dass ein hohes Losbrechmo- Industriearmaturen 5
ment benötigt wird, um sie zu betätigen. Hier stößt die Kraft-/Drehmomentleistung der kompakten elektromechanischen Armaturenantriebe an ihre Grenzen. Mit konventionellen hydraulischen Antriebssystemen würde man zwar dieses Problem lösen, aber die korrosive Umgebung, der die hydraulischen Komponenten ausgesetzt sind, stellt eine ernsthafte Bedrohung für die mittelfristige Zuverlässigkeit der Armatur dar. Die gekapselte Bauweise des HOERBIGER Armaturenantriebs, durch die die Komponenten und der Antrieb geschützt sind, macht es dagegen möglich, den Armaturenantrieb in korrosiven Umgebungen zu nutzen und dabei ein hohes Drehmoment zu erreichen. So stehen genügend Leistungsreserven für das Losbrechmoment zur Verfügung. Andere Anwendungen, bei denen das Stellglied verwendet werden kann, sind: Pipelines für Öl und Gas: emissionsfreie und einfachere Realisierung von Failsafe-Funktionen bei On-/Off-Ventilen im Vergleich zu elektrischen Stellgliedern Ablass- und Speicheranwendungen: höhere Steifigkeit als bei pneumatischen Stellgliedern und damit eine höhere Präzision bei der Positionierung zur besseren Regulierung der zu speichernden bzw. abzulassenden Mengen Pumpstationen: On-/Off-Ventile mit höherer Kraft oder höherem Drehmoment Kraftwerke: Regelventile für die Dampfzufuhr zu Turbinen für eine Installation in explosionsgefährdeten Bereichen LITERATUR [1] Baumann, H.-D.: Control Valve Primer: A User s Guide, 4. Aufl., Instrumentation, Systems, and Automation Society, Research Triangle Park, NC, USA, 2009 [2] Ignatowitz, E.: Chemietechnik, 9. Aufl., Verlag Europa Lehrmittel, Haan, Deutschland, 2009 WEITERE INFORMATIONEN AUTOREN MARCUS GRÖDL HOERBIGER Automatisierungstechnik GmbH 86972 Altenstadt +49 8861 221 1622 marcus.groedl@hoerbiger.com DR.-ING. BABAK FARROKHZAD HOERBIGER Automatisierungstechnik Holding GmbH, Tech Gate Stuttgart 70563 Stuttgart +49 711 128505125 babak.farrokhzad@hoerbiger.com 6 Industriearmaturen
HOERBIGER Automatisierungstechnik Firmenname/Ort: Geschäftsführung: Geschichte: Konzern: HOERBIGER Automatisierungstechnik GmbH, 86972 Altenstadt Norbert Gauß Die Initialzündung der Erfolgsgeschichte von HOERBIGER war 1894 die Patentierung des von Hanns Hörbiger erfundenen Stahlplattenventils. Seit 1972 wurden im Bereich Automatisierungstechnik die technologischen Grundlagen der Piezotechnik für intelligente Stellungsregler und hydraulische Kompaktaggregate für den Einsatz zur Armaturenbetätigung gesetzt. Auf dieser Technologiebasis wurde 2009 der innovative, elektrohydraulische Armaturenantrieb mit ATEX Zulassung für den Einsatz in der Prozess- und Kraftwerksindustrie vorgestellt. Mit ca. 6700 Mitarbeitern und 1 Mrd. Umsatz ist der HOERBIGER Konzern weltweit in führender Position in den Geschäftsfeldern der Kompressortechnik, Automatisierungstechnik und Antriebstechnik tätig. Schwerpunkte der Geschäftstätigkeit sind Schlüsselkomponenten und Serviceleistungen für Kompressoren, Gasmotoren und Turbomaschinen, Hydrauliksysteme und Piezotechnologie für den Fertigungs- und Prozessautomation sowie Komponenten und Systeme zum Schalten und Kuppeln von Antriebssträngen. Kooperation An der Johannes Kepler Universität in Linz werden am HOERBIGER Research Institute for Smart Actuators neue Technologien für intelligente Aktuatoren erforscht. HOERBIGER unterhält darüber hinaus weitere Kooperationen mit führenden Universitäten im Bereich der Fluidik und der Umformtechnik. Mitarbeiterzahl: 309 (Dezember 2010) Exportquote: ca. 75 % Produktspektrum: Produktion: Wettbewerbsvorteile: Zertifizierung: Servicemöglichkeiten: Internetadresse: Ansprechpartner: Die HOERBIGER Automatisierungstechnik ist führender Anbieter intelligenter Aktuatorik in anspruchsvollen Nischenmärkten: IIntelligente Aktuatorik für Armaturen: elektrohydraulisch und piezopneumatisch Intelligente Aktuatorik für Bearbeitungsmaschinen Hydrauliksysteme für Sonderanwendungen, z. B. mobile Operationstische HOERBIGER fertigt alle wesentlichen Komponenten und Systeme im eigenen Haus. Dazu gehören insbesondere Komponenten, die die Alleinstellungsmerkmale der Aktuatoren begründen: piezopneumatische Pilotventile und ATEX- Pneumatikventile, elektrohydraulische Kompaktaggregate, Proportional- und Regelventile. Ferner fertigt HOERBIGER auch hydraulische Steuerblöcke, Aggregate und Zylinder. HOERBIGER konzentriert sich in der Automatisierungstechnik auf kundenorientierte Lösungen auf Basis zuverlässiger, leistungsbestimmender, einfacher und energieeffizienten Aktuatoren. Diese Aktuatoren haben klare Alleinstellungs merkmale und verbinden die Vorteile von fluidischen Aktuatoren mit denen von elektrischen Systemen. Der einfache Aufbau erhöht die Zuverlässigkeit Die Reduktion der Schnittstellen ermöglicht die einfache Installation Hohe technische Performance führt zu hoher Energieeffizienz ISO 9001/2008, ATEX Zertifizierung nach Richtlinie 94/9/EG, Druckgeräte Zertifizierung nach Richtlinie 97/23/EG. Als Partner der Öl-, Gas- und Prozessindustrie ist HOERBIGER seit Jahren international mit insgesamt 180 Produktionsstandorten und Servicegesellschaften vertreten. www.hoerbiger.com David Penny, Head of Global Sales, Unternehmensbereich Automatisierungs technik, +49 162 277 7551, david.penny@hoerbiger.com Industriearmaturen 7
HOERBIGER - Wir setzen Standards Wo immer wir tätig sind, setzen wir mit leistungsbestimmenden Komponenten, Systemlösungen und Serviceleistungen Standards - und erhöhen damit die Effizienz des Kapitaleinsatzes bei hochwertigen Investitionsgütern. Die HOERBIGER Automatisierungstechnik ist ein Unternehmensbereich der HOERBIGER Holding AG, Zug / Schweiz. HOERBIGER ist weltweit in führender Position in den Geschäftsfeldern der Kompressortechnik, Automatisierungstechnik und Antriebstechnik tätig. 6.700 Mitarbeiter erzielten 2010 einen Umsatz von rund 950 Millionen Euro. Schwerpunkte der Geschäftstätigkeit sind Schlüsselkomponenten und Serviceleistungen für Kompressoren, Gasmotoren und Turbomaschinen, Hydrauliksysteme und Piezotechnologie für den Fahrzeug- und Maschinenbau sowie Komponenten und Systeme zum Schalten und Kuppeln von Antriebssträngen verschiedenster Fahrzeugtypen. Mit Innovationen in attraktiven technologischen Nischenmärkten setzt der HOERBIGER Konzern Standards und schafft damit hochwertige Alleinstellungsmerkmale mit nachhaltigem Kundennutzen. HOERBIGER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK GmbH Südliche Römerstraße 15 86972 Altenstadt, Deutschland Telefon: +49 (0)8861 221-0 Telefax: +49 (0)8861 221-1305 E-Mail: info-haut@hoerbiger.com www.hoerbiger.com