Hvilke specifikationer er velegnede til elektriske aktuatorer til automatisk ventilstyring?

Valg af aktuatortype efter ventilbevægelse: Multi-turn, quarter-turn og lineær

Sådan bestemmer ventilgeometri arkitekturen for den elektriske aktuator

Ventilernes form og design spiller en stor rolle for, hvilken type aktuator der fungerer bedst. Til lineære ventiler, herunder slade- og hovedventiler, er elektriske aktuatorer nødvendige, da de skaber den nødvendige kraft til at bevæge stængerne lodret. Rotationsventiler derimod, såsom kugle- og butterfly-ventiler, fungerer bedre med momentdrevne aktuatorer, fordi de kræver cirka 90 graders drejekraft for at fungere korrekt. Ifølge nyere industrianalyser fra Fluid Controls Institute i deres rapport fra 2023 sker omkring tre ud af fire ventils fejl, når der anvendes en forkert aktuator sammen med en ventil. Dette understreger tydeligt, hvorfor det er så vigtigt at vælge den rigtige kombination for systemets pålidelighed.

Moment–rotation vs. kraft–forskydning: Centrale principper ved valg af aktuator

At vælge den rigtige elektriske aktuator handler egentlig om at forstå, hvordan forskellige kræfter virker i systemet. For roterende ventiler ser vi på drejningsmomentets omdannelse til vinkelmotion, målt i newtonmeter per grad. Lineære ventiler fungerer anderledes, idet de omdanner kraft til faktisk tilbagelagt afstand, typisk angivet i kilonewton per millimeter. Når man vurderer ydeevnen, spiller flere vigtige faktorer ind. Tætningsgnidning varierer ganske meget afhængigt af de anvendte materialer – PTFE-tætninger har generelt en gnidningskoefficient på ca. 0,1, mens metaltætninger kan nå op på 0,6. Differen-tryksbelastninger er ligeledes vigtige, ligesom om komponenterne overholder ISO 5211-standarder for flangeforbindelser. At få alle disse aspekter korrekt justeret hjælper med at undgå unødigt mekanisk spænd og sikrer, at systemerne kører problemfrit uden uventede fejl.

Casestudie: Udskiftning af pneumatiske kvartvendende aktuatorer med 24 VDC elektriske enheder i et kemianlæg

På et svovlsyreproduktionsanlæg udskiftede arbejdere alle 58 klappede ventilaktuatorer fra ældre pneumatiske modeller til nyere 24 VDC elektriske versioner under en større ombygning sidste år. Set i lyset af resultaterne efter næsten 18 måneders drift af disse nye systemer, er vedligeholdelsesomkostningerne faldet med næsten halvdelen (omkring 42 %), mens forbruget af trykluft også er faldet markant – med 67 %. Mest imponerende var den fuldstændige fravær af udstyningsfejl i de farlige Zone 1-områder, hvor der kunne opstå eksplosioner, hvis der gik noget galt. Disse reelle tal viser tydeligt, hvor meget bedre elektrisk aktivering fungerer i forhold til traditionelle metoder, når der arbejdes med krævende industrielle forhold dag efter dag.

Ny tendens: Hybrid kvartvendende elektriske aktuatorer med HART-protokol og positionsfeedback

Hybride kvartvarme elektriske aktuatorer, der kombinerer elektriske drev med hydraulisk dæmpning, integrerer nu HART-protokollen (Highway Addressable Remote Transducer). Disse avancerede enheder leverer en positionsnøjagtighed på ±0,5° og understøtter prædiktiv diagnostik samt overholdelse af SIL-3-sikkerhedsstandarder. Anvendelsen i raffinaderianvendelser er steget med 200 % siden 2021, driven af efterspørgslen efter smartere og sikrere kontrolsystemer.

Valgstrategi: Afstemning af ventiltypen til elektrisk aktuator og ISO 5211-standarder

Ventiletyp	Bevægelse	Type aktuator	ISO 5211 Drejmomentklasse
Sluse/Globeventil	Lineær	Flere omdrejninger	F05–F30
Kugleventil/Tørvventil	90° rotation	Kvartvarme	F10–F60
Kontrol	Modulerende	Delvis omdrejning	F20–F80

Anvend altid en sikkerhedsfaktor på 1,5 ved beregnede drejningsmoment- eller kraftværdier. Kontroller monteringsmål i henhold til ISO 5211-standarder for at sikre mekanisk kompatibilitet og forhindre brud forårsaget af spændinger.

Drejningsmoment, kraft og driftscyklus: Dimensionering af elektriske aktuatorer til reelle belastninger

Hvorfor startdrejningsmoment kan være 3 gange det løbende moment: Statisk friktion og differentialtrykeffekter

Når det gælder at sætte ting i gang, øger statisk friktion virkelig den krævede kraft. Elektriske aktuatorer har ofte brug for tre gange så meget drejningsmoment bare for at komme i gang, sammenlignet med når de allerede kører. Og forholdene bliver endnu mere komplicerede ved differentialtryk. Ventiler, der er lukket helt, oplever det fulde systemtryk, hvilket gør dem sværere at åbne i begyndelsen. En stor producent udførte nyligt nogle tests og opdagede noget interessant: omkring to tredjedele af alle aktuatoroverbelastninger sker lige ved opstart. Derfor er det så vigtigt at dimensionere korrekt. Hvis ingeniører ikke tager højde for disse pludselige lasttoppe, kan motorer blokere eller gear blive beskadiget, før udstyret overhovedet kommer ordentligt i gang.

Beregning af nødvendigt drejningsmoment ved hjælp af ISO 5211: Sikkerhedsfaktorer, stamdiameter og ventilklasse

ISO 5211 giver standardiserede metoder til beregning af drejningsmoment ved kombination af ventiler og aktuatorer. Afgørende parametre inkluderer:

Parameter	Indvirkning på drejningsmomentsbehov
Stamdiameter	2× diameterforøgelse = 4× drejmoment
Ventilklasse (ASME)	Klasse 900 kræver 3× drejmoment for klasse 150
Sikkerhedsfactor	Minimum 25 % ved dynamiske belastninger

Ingeniører skal også tage højde for væskens egenskaber og aktiveringsfrekvens. For lav dimensionering medfører risiko for tidlig svigt, mens for høj dimensionering medfører unødige omkostninger og energispild.

Casestudie: Elektrisk aktuatorsvigt på grund af korrosionsforårsaget stempelgalling på en offshore LNG-anlæg

Et offshore LNG-anlæg oplevede gentagne svigt i kryogene kugleventilaktuatorer på grund af chloridinduceret korrosion på 316L rustfrit stål-stemme, hvilket førte til gallning. Fejlsekvensen omfattede:

1. Korrosionshuller, der skabte overfladeuregelmæssigheder
2. Drejmomentstigning ved start over 450 N·m på grund af øget friktion
3. Gear tænder brækker ved koldstart ved -162 °C

Løsningen – opgradering til Inconel-stemme og anvendelse af molybdændisulfid-belægning – reducerede startmomentet med 41 % og eliminerede galling, hvilket genoprettede pålidelig drift.

Innovation: Echtidsmomentovervågning med indlejrede deformationsmålere og forudsigende vedligeholdelse

El-aktuatorer er i dag udstyret med indbyggede deformationsmålere på deres outputakser, hvilket gør det muligt at måle momentet kontinuert med en nøjagtighed på ca. 2 %. I praksis betyder det, at operatører kan opdage problemer, inden de bliver alvorlige, modtage automatiske advarsler, når der skal smøres, fordi friktionsniveauerne stiger for meget, og skifte fra planlagt vedligeholdelse til reparationer, der kun foretages efter behov. Ifølge reelle tests udført på flere industrielle anlæg har denne type overvågningssystemer reduceret uventede nedlukninger af udstyr med omkring 90 procent. En sådan forbedring af pålideligheden resulterer i væsentlig bedre produktionstid for produktionslinjer og produktionsdrift.

Styring og ydeevne: Tænd/Sluk, modulerende og smart integration til elektriske aktuatorer

Løsning på 4–20 mA signaldrift i analoge modulerende elektriske aktuatorer

Når signaldrift opstår i disse 4-20 mA analoge systemer, påvirkes positionsfeedbacket for modulerende elektriske aktuatorer negativt, hvilket gør hele reguleringssystemet mindre præcist. Der er flere årsager til dette fænomen. De største er elektromagnetisk interferens eller EMI, irriterende jordløkker og temperaturændringer i løbet af dagen. I industrielle installationer skaber ukablede kabler ofte problemer, da de tillader spændingsspidser, der kan ændre signalkvaliteten med op til plus/minus 5 % ifølge ISA-18.2 standarder. For at løse disse problemer installerer ingeniører typisk skærmede vredede par-kabler først. De anvender også galvaniske isolatorer for at adskille forskellige dele af kredsløbet. Nogle foretrækker desuden strømforsynede signalomformere. Interessant nok har nyere diagnosticeringsværktøjer, som overvåger, hvordan signaler drifter over tid, faktisk reduceret kalibreringsbehovet betydeligt. Feltforsøg viser omkring en reduktion på 40 % i nødvendige kalibreringer, når disse avancerede overvågningssystemer implementeres.

Kritiske styremålinger: Opløsning, hysteresis og responstid til PID-løkkekompatibilitet

Tre nøgleparametre bestemmer elektrisk aktuatorers kompatibilitet med PID-styringsløkker:

• Opløsning (≤0,1 %) minimerer overshoot i flowreguleringsapplikationer
• Hysterese (<1 % af slaglængden) sikrer gentagelig positionering uden dødbandsfejl
• Reaktionstid (≤2 sekunder) forhindre oscillation i hurtige processer som trykregulering

Systemer med mere end 3 % hysteresis eller 500 ms responsforsinkelse løber risiko for ustabilitet – især i kritiske applikationer såsom dampregulering, hvor forsinket respons kan udløse trykstigninger. Moderne aktuatorer med encoder-feedback opnår hysteresis under 0,5 %, hvilket opfylder IEC 60534-8-3 Class V standarder for tæt lukning og præcisionsstyring.

Miljø- og strømkrav for pålidelig drift af elektriske aktuatorer

Håndtering af spændningsdip i 24 VDC elektriske aktuatorer for at beskytte PLC I/O-moduler

Når spændingerne falder under 20 volt i et typisk 24 VDC-system, forårsager det ofte problemer for aktuatorer og kan faktisk beskadige de dyrebare PLC-ind/-udgangsmoduler på grund af noget, der kaldes induktiv tilbageslag. For at beskytte mod dette problem installerer teknikere typisk linjereaktorer eller spændingsstabilisatorer højst fem meter fra den placering, hvor aktuatoren er placeret. Afskærmede kabler med korrekt jording er ligeledes et must, ligesom aktuatorer udstyret med såkaldte undervoltage lockout-kredsløb (UVLO). Disse specielle kredsløb standser simpelthen driften, når spændingen falder under 21 volt. Faciliteter over hele landet har rapporteret markante forbedringer efter implementering af sådanne beskyttelsesmetoder. En nylig undersøgelse viste, at renseanlæg oplevede et dramatisk fald i PLC-fejl – omkring to tredjedele færre hændelser ifølge data indsamlet sidste år af ISA.

Nedrating for varme, højde og farlige områder: ATEX, IECEx og drift ved høj temperatur

Når elektriske aktuatorer fungerer i varme omgivelser eller i større højder, har de tendens til at miste deres drejmomentkapacitet, fordi varme ikke afkøles lige så effektivt. For hver grad Celsius over 40 °C falder drejmomentydelsen med cirka 3 %. Ligeledes aftager ydeevnen med ca. 1 % for hver yderligere 100 meter over 1000 meters højde. Sikkerhed er en anden stor bekymring i farlige områder, der er klassificeret som klasse I eller II zoner. Disse aktuatorer kræver særlige certificeringer som ATEX eller IECEx. De skal have eksplosionsbeskyttede kabinetter til områder med gasser (grupper IIA/B), støv-antændingsbeskyttelse med IP6X-klassificering og temperaturklassificeringer fra T1 til T6, som svarer til autoantændelsespunkterne for de omgivende materialer. Nogle modeller, der er designet til ekstrem varme, er udstyret med keramiske lejer og H-klasse isolation, hvilket tillader dem at fungere pålideligt, selv når temperaturen når op til 150 °C. Dette gør dem egnede til anvendelser, hvor standardudstyr blot ville svigte under pres.

Fælles spørgsmål

Hvorfor er det vigtigt at matche aktuatortypen med ventilbevægelsen?

Hvis aktuatoren ikke passer korrekt til ventilbevægelsen, kan det føre til systemineffektivitet og ventilfejl. Rapporter viser, at tre ud af fire ventilfejl skyldes forkert valg af aktuator.

Hvilke faktorer er vigtige ved valg af en elektrisk aktuator?

Det er vigtigt at overveje ventiltypen (roterende eller lineær), det nødvendige drejmoment eller kraft, materialekomposition, differenstryk og overholdelse af ISO 5211-standarder ved valg af aktuator.

Hvad er fordelene ved at ombygge pneumatisk aktuator til elektrisk?

At ombygge pneumatiske aktuatorer til elektriske kan markant reducere vedligeholdelsesomkostninger, mindske luftforbrug og forbedre systemets sikkerhed og pålidelighed, som det er vist i kemiske og industrielle anvendelser.

Hvilke løsninger findes der for at håndtere signaldrift i elektriske aktuatorer?

Signaldrift kan begrænses ved at sikre korrekt afskærmning og jording, bruge vredet parledning og anvende avancerede diagnostiske værktøjer til overvågning og justering af drift.

Hvordan påvirker miljøfaktorer ydelsen af elektriske aktuatorer?

Faktorer såsom varme, højde og farlige miljøer kan reducere drejmomentkapaciteten og øge risikoen for udstyrsfejl, hvilket kræver korrekt planlægning og overholdelse af certificeringskrav.