Wie lassen sich elektrische Ventile für Wasserreinigungsunternehmen anpassen?

Warum Standard-Elektroventile in Anwendungen der Wasseraufbereitung unzureichend sind

Hydraulische Gegebenheiten: Druckstöße, Durchfluktuationen und Korrosionsprobleme in kommunalen und industriellen Anlagen

Wassersysteme in Städten müssen mit extremen hydraulischen Bedingungen umgehen, die herkömmliche elektrische Absperrventile einfach nicht verkraften können. Wenn Pumpen starten oder Ventile plötzlich schließen, überschreiten Druckstöße oft 150 PSI und zerreißen die Dichtungen an Standardventilen. Die Situation wird in Aufbereitungsanlagen noch verschärft, da ihre Durchflussraten zwischen lediglich 2 Gallonen pro Minute während der Rückspülung und einer enormen Spitzenleistung von 8.000 GPM stark schwanken. Diese ständigen Schwankungen führen dazu, dass Ventilsitze und -stößel sich viel schneller abnutzen, als sie ausgelegt sind. Korrosionsprobleme kommen zusätzlich hinzu. Chlor-Konzentrationen über 1 ppm zersetzen normale Gummiteile, und Schwefelwasserstoff in Abwasser greift Messingteile innerhalb weniger Monate an. Bei der Betrachtung realer Stadtprojekte zeigt sich, dass etwa zwei Drittel der vorzeitigen Ventildefekte darauf zurückzuführen sind, dass die verwendeten Materialien den rauen chemischen Umgebungen nicht standhalten.

Compliance-Lücken: Einschränkungen von Standard-Elektroventilen hinsichtlich der Anforderungen nach AWWA C504, ISO 5211 und NSF/ANSI 61

Viele handelsübliche elektrische Ventile erfüllen schlichtweg nicht die wichtigen Standards der Wasserwirtschaft, was sowohl aus regulatorischer Sicht als auch im täglichen Betrieb Probleme verursacht. Nehmen wir beispielsweise AWWA C504. Dieser Standard legt bestimmte Drehmomentanforderungen fest, die notwendig sind, um Druckstöße zu steuern, aber was ist? Etwa drei Viertel der üblichen Modelle fallen bei Zertifizierungstests tatsächlich durch. Dann gibt es noch ISO 5211. Wenn die Anbaumaße nicht korrekt übereinstimmen, führt das zu verschiedenen Problemen, einschließlich mechanischer Belastung der Komponenten und Undichtigkeiten an den Flanschen. Und sprechen wir über die NSF/ANSI-61-Zertifizierung. Diese ist besonders wichtig, da sie sicherstellt, dass Materialien unbedenklich für den Kontakt mit Trinkwasser sind. Doch hier liegt das Problem: Die meisten Hersteller lassen diesen Schritt in ihren Massenproduktionsprozessen vollständig weg. Wir haben gesehen, wie nicht konforme Ventile bereits nach nur 200 Betriebsstunden gefährliche Mengen an Zink und Blei in Wassersysteme freigesetzt haben. Solche Konformitätsprobleme führen typischerweise zu kostspieligen Nachrüstarbeiten, sobald Inspektoren Installateuren entdecken, die den Anforderungen nicht genügen.

Wichtige Anpassungsparameter für zuverlässige elektrische Ventilfunktion

Antriebsmoment- und Reaktionsabstimmung für dynamische Betriebszyklen

Um aus diesen Systemen eine gute Leistung herauszuholen, kommt es im Wesentlichen darauf an, das Antriebsmoment exakt richtig einzustellen. Es geht nicht nur darum, Spitzenlasten bei erhöhtem Betrieb zu bewältigen, sondern auch Schäden durch zu hohe Kräfte zu vermeiden, die Stämme und Dichtsitzflächen schneller verschleißen lassen, als erwünscht. Die Ansprechzeit muss ebenfalls recht kurz sein, idealerweise unter 200 Millisekunden, damit das System plötzliche Änderungen der Strömungsrichtung bewältigen kann, wie sie beispielsweise beim Wechsel vom normalen Filtrationsmodus in den Rückspülmodus ständig auftreten. Einige praktische Feldtests haben etwas Interessantes ergeben: Antriebe, die ihre Ansprechgenauigkeit innerhalb von plus/minus 5 % beibehalten, selbst nach mehreren Temperaturwechselzyklen, halten deutlich länger. Diese Geräte reduzieren Dichtungsermüdungsprobleme um etwa 30 % im Vergleich zu herkömmlichen Standardmodellen unter ähnlichen Bedingungen.

Material- und Dichtungsverbesserungen: EPDM vs. FKM-Elastomere, 316SS-Gehäuse und NSF-konforme benetzte Oberflächen

Die Materialauswahl begegnet direkt den korrosiven Gegebenheiten in der Wasseraufbereitung:

• Elastomere : EPDM zeichnet sich bei der Heißdampfsterilisation bei hohen Temperaturen (bis über 150 °C) aus; FKM bietet eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Chloroxid und anderen starken Oxidationsmitteln
• Metallische Komponenten : Gehäuse aus Edelstahl 316 widerstehen chloridbedingter Lochkorrosion in Anwendungen mit brackigem Wasser oder Meerwasseranteilen
• Konformität : Benetzte Oberflächen, zertifiziert nach NSF/ANSI 61, beseitigen Kontaminationsrisiken in Trinkwassersystemen

Dichtungsversagen verursacht 42 % aller Ventilpannen in Aufbereitungsanlagen (SWAN 2023). Der Wechsel zu chemisch kompatiblen Dichtungen – wie FKM-Sitzdichtungen bei Oxidantienkonzentrationen über 5 ppm – verlängert die Lebensdauer um bis zu 300 %.

Integration intelligenter elektrischer Ventile in SCADA- und Prozessleitsysteme

Anforderungen an die Stetige Regelung: Übergang von binärer Schaltfunktion zur präzisen Durchflussregelung

Die richtige Wasseraufbereitung erfordert eine präzisere Steuerung des Durchflusses als einfache Ein-Aus-Schalter, insbesondere bei Vorgängen wie der Zugabe von Chemikalien, dem Betrieb von Filtern oder der Rückspülung. Elektrische Ventile arbeiten heute mit analogen Signalen, die meisten kennen sie als 4 bis 20 Milliampere oder 0 bis 10 Volt. Diese Signale ermöglichen es den Ventilen, sich schrittweise zu bewegen, anstatt einfach abrupt zu öffnen oder zu schließen, wodurch eine Genauigkeit von etwa ±2 Prozent bei der Durchflussregelung erreicht wird. Dies ist entscheidend, um Membranen sauber zu halten, den pH-Wert korrekt einzustellen und die richtige Menge an Flockungsmitteln beizumischen. Bessere Regelung reduziert zudem den Verbrauch von Chemikalien um 12 bis sogar 15 Prozent im Vergleich zu älteren Systemen mit nur zwei Zuständen. Außerdem hilft sie, lästige Druckstöße infolge plötzlicher Änderungen des Wasserdrucks zu vermeiden. Wenn diese Ventile mit SCADA-Systemen verbunden sind, können Betreiber Anpassungen basierend auf Echtzeitdaten der Sensoren vornehmen. Zum Beispiel passt das System die Ventile langsam an, wenn Trübungssensoren Störungen erkennen oder Drucksensoren während CIP-Zyklen (Cleaning-in-Place) einen Anstieg melden, anstatt abrupte Änderungen vorzunehmen. Dadurch wird das Filtermaterial geschont, während die Aufgabe dennoch effektiv erledigt wird.

Cybersecurity-Aware Integration: Ein- vs. zweikreisige Regelung mit Positions-Rückmeldung

Die Anbindung industrieller IoT-Geräte an Steuerungsnetzwerke bringt erhebliche Cybersicherheitsrisiken mit sich, insbesondere bei der Verwendung von Ventilsystemen. Die eingebaute Positionsabgabe funktioniert durch die Integration eigenständiger Sensoren direkt in den Stellantrieb, wodurch potenzielle Angriffspunkte reduziert werden, da keine externe Verkabelung erforderlich ist. Dieser Aufbau bietet jedoch nur begrenzte detaillierte Diagnosemöglichkeiten. Im Gegensatz dazu liefern externe Regelkreise über HART- oder Modbus-gesteuerte Positionierer bessere Diagnosedaten, erhöhen jedoch die Anzahl an möglichen Schwachstellen um etwa 40 %, gemäß den ISA/IEC 62443-Standards. Die meisten Experten empfehlen, solche Systeme je nach Risikostufe einzusetzen. In kritischen Bereichen, in denen schwerwiegende Störungen auftreten können, wie beispielsweise Chlorinjektionsstellen, sollten eingebaute Systeme verwendet werden. Bei weniger kritischen Anwendungen wie Sedimentationsbecken hingegen rechtfertigt der zusätzliche Datengewinn aus externen Systemen das höhere Sicherheitsrisiko. Und vergessen Sie nicht, die Kommunikation stets mittels eines Standards wie OPC UA zu verschlüsseln, wenn verhindert werden soll, dass Hacker in das Netzwerk eindringen.

Zusammenarbeit mit Lieferanten für effektive kundenspezifische Elektroventile

Die enge Zusammenarbeit mit spezialisierten Zulieferern macht den entscheidenden Unterschied, wenn es darum geht, elektrische Absperrklappen zu entwickeln, die den Belastungen standhalten, denen sie Tag für Tag in Wasseraufbereitungsanlagen ausgesetzt sind. Dabei geht es nicht einfach nur darum, Standardteile vom Regal zu kaufen. Echte Partnerschaften bedeuten, gemeinsam an einem Tisch zu sitzen und Probleme auf der Grundlage praktischer Erfahrungen anzugehen – etwa wie Materialien gegen Korrosion bestehen, plötzliche Druckspitzen bewältigt werden und Normen wie AWWA C514 erfüllt werden. Gute Zusammenarbeit beginnt damit, das gesamte System wirklich zu verstehen. Wir analysieren Drehmomentreserven während unerwarteter Druckstöße, prüfen, ob die Gummiteile den jeweils vor Ort vorhandenen Chemikalien standhalten, und klären, wie sich alles in die bereits vorhandene Steuerungsarchitektur einfügt. Eine korrekte Auslegung vor der Installation verhindert spätere Probleme und sorgt dafür, dass alles reibungslos mit SCADA-Systemen kommuniziert. Laut aktuellen Erkenntnissen des Valve Engineering Report 2024 geben Anlagen, die mit Lieferanten individuelle Lösungen entwickeln, rund 40 % weniger für Wartung aus als solche, die versuchen, generische Absperrklappen funktionsfähig zu machen. Und auch die Phase nach der Installation darf man nicht vergessen. Wenn wir die Leistung in Echtzeit überwachen und intelligente Wartungsprognosen nutzen, die auf echten SCADA-Daten basieren, verändert sich unsere Sichtweise auf Absperrklappen grundlegend. Plötzlich sind sie nicht mehr einfach nur ein ersetzbares Bauteil, sondern werden zentral für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb.

Häufig gestellte Fragen

Warum versagen Standard-Elektroventile in der Wasseraufbereitung?

Standard-Elektroventile versagen in Anwendungen der Wasseraufbereitung aufgrund ihrer Anfälligkeit für Druckstöße, Korrosion durch Chemikalien wie Chlor und Schwefelwasserstoff sowie ihrer Unfähigkeit, die hohe Strömungsschwankungen in Behandlungsprozessen zu bewältigen.

Welche wichtigen Standards erfüllen Elektroventile häufig nicht?

Elektroventile erfüllen häufig nicht die AWWA C504 bezüglich Drehmomentvorgaben, ISO 5211 für die korrekte Montage und NSF/ANSI 61 für die Sicherstellung, dass Materialien unbedenklich für Trinkwasser sind, was zu Konformitäts- und Sicherheitsproblemen führen kann.

Wie kann die Leistung von Elektroventilen verbessert werden?

Die Leistung kann verbessert werden, indem das Antriebsdrehmoment und die Ansprechzeit angepasst sowie widerstandsfähigere Materialien wie EPDM- oder FKM-Elastomere und Edelstahl 316 verwendet werden, die resistenter gegenüber den korrosiven Bestandteilen in der Wasseraufbereitung sind.

Welche Rolle spielen Elektroventile in intelligenten Systemen der Wasseraufbereitung?

Elektrische Ventile in intelligenten Systemen ermöglichen eine präzise Durchflussregelung, reduzieren Chemikalienverschwendung, verhindern Wasserschlagprobleme und erlauben Echtzeit-Anpassungen über SCADA-Systeme zur Verbesserung der Prozesseffizienz.

Wie sollte die Cybersicherheit in intelligenten elektrischen Ventilsystemen verwaltet werden?

Die Cybersicherheit sollte durch den Einsatz eingebetteter Rückkopplungssysteme zur Verringerung von Angriffspunkten, die Sicherung der Kommunikation mittels Verschlüsselung und die Bewertung von Risiken zur Entscheidung über Datenübertragungsanforderungen im Verhältnis zu Sicherheitsanfälligkeiten verwaltet werden.