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antriebstechnik 8/2020

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antriebstechnik 8/2020

UMRICHTERTECHNIK

UMRICHTERTECHNIK ENERGIEEFFIZIENTE TIEFSEE-AKTUATOREN 3 000 METER UNTER DEM MEERESSPIEGEL Das Beste aus Elektromechanik und Hydraulik in einer kompakten Einheit für den Tiefsee-Einsatz: Bosch Rexroth hat gemeinsam mit führenden Ausrüstern und Anwendern ein neues Konzept für Tiefsee-Aktuatoren, Subsea Valve Actuators (SVA) entwickelt, das SIL3 Sicherheit bietet, bis zu 75 Prozent weniger Energie verbraucht und auf einen Betrieb von 25 Jahren ausgelegt ist. Dr. Alexandre Orth ist Leiter Branche Marine & Subsea Technologien bei der Bosch Rexroth AG Außendruck 300 bar, Salzwasser-Um gebung, 24 Stunden Betrieb an 365 Tagen, Einsatz für 25 Jahre, möglichst ohne Wartung: Die Anforderungen an Unterwasser-Produktionsanlagen sind hoch. Für Unterwasser-Anlagen, die Öl und Gas fördern, ist Betriebssicherheit äußert wichtig, weil Störungen hohe Kosten verursachen. Außerdem hat der Schutz der Meere vor Verschmutzung durch ein unkontrolliertes Entweichen von Öl oberste Priorität. In Unterwasserfabriken ist pro Bohrloch eine Anlage im Einsatz, die aufgrund ihrer Analogie zu Bäumen „Subsea Tree“ genannt wird. Jeder „Subsea Tree“ steuert über mehrere Prozessventile die Öl- und Gasförderung des jeweiligen Bohrlochs. Die Prozessventile werden von den SVA angetrieben, die wiederum ihre elektrischen Steuersignale von den dezentralen Actuator Control Modules (ACM) erhalten. Bei Bedarf müssen sie das jeweilige Prozessventil in jedem Betriebszustand, auch bei Stromausfall, sicher verschließen. AUTARKE ACHSEN MIT EIGENEM FLUIDKREISLAUF Mit dem neu entwickelten SVA bietet Rexroth eine energieeffiziente und sichere Alternative zu den bislang eingesetzten rein hydraulischen oder rein elektromechanischen Aktuatoren. SVA sind autarke Baugruppen mit einem eigenen Fluidkreislauf. Ein drehzahlvariabler Motor treibt eine robuste hydraulische Pumpe an, die einen Förderstrom für die Zylinderbewegungen erzeugt. Ein Sicherheitsventil mit mechanischer Feder sorgt dafür, dass der Zylinder auch bei Stromausfall ohne externe Energiezufuhr sicher in die Fail-Safe- Stellung wechselt. Darüber hinaus kann der Zylinder, der das Bohrventil öffnet und schließt, von außen durch einen Unterwasserroboter über eine Spindel betätigt werden. Alle Bauteile des Antriebsstrangs sind doppelt redundant verbaut. Insgesamt bietet der SVA durch die Redundanz, die Federrückstellung und die Eingriffsmöglichkeiten von außen eine vierfache Sicherheit. Die Vorteile werden deutlich, wenn man die Lösung mit dem aktuellen Stand der Technik vergleicht. Die weitaus überwiegende Zahl der weltweit eingesetzten Unterwasser-Aktuatoren basiert auf klassischer Hydraulik. Sie hat ihre Robustheit und langfristige Standsicherheit in den vergangenen 50 Jahren unter Beweis gestellt. Anderer- seits wollen die Betreiber den dazu notwendigen Aufwand gerne reduzieren. Sie benötigen große, zentrale Hydraulik aggregate über Wasser. Diese versorgen die Aktuatoren über teilweise kilometer lange Leitungen, Nabelschnüre, mit dem Fluid. Bei 3 000 m Arbeitstiefe kommen mehrere hundert Liter Fluid allein in den Leitungen zusammen. Als erste Alternative versuchten Ausrüster rein elektromechanische Lösungen zu etablieren. Sie müssen nur noch über Kabel mit Strom versorgt und über eine Datenleitung an die ACM angebunden werden. Allerdings haben sie sicherheitstechnische Nachteile, weil sie keine mechanischen Eingriffsmöglichkeiten für die Verstellung von außen („manuell override“) bieten. Darüber hinaus benötigen sie, bedingt durch die im Vergleich zur Hydraulik geringere Kraftdichte, größere Gehäuse sowie elektrische Batterien. Ein Nachteil: Bauartbedingt tritt ein hohe Reibung und somit mechanischer Verschleiß an der Kraftübertragung auf und die erforderliche 25-jährige wartungsfreie Betriebsdauer ist nicht in jedem Fall sichergestellt. BIS ZU 75 % WENIGER ENERGIEVERBRAUCH Die neuen SVA kombinieren die Vorteile beider Ansätze und eliminieren die Nachteile. Durch den dezentralen Fluidkreislauf fallen die kilometerlangen „Nabelschnüre“ für das Fluid weg. Die SVA benötigen lediglich eine Spannungsversorgung und eine Datenleitung wie die rein elektromechanischen Aktuatoren. Die Drehzahl des Motors wird bedarfsgerecht, wie bei einem stufen losen Getriebe, geregelt. Hydraulische Pumpen erzeugen den Förderstrom für das verschleißarme hydraulische Getriebe. Als Regelungsprinzip setzt Rexroth hier auf eine Verdrängersteuerung, die den Förderstrom nahezu verlustfrei aus der Drehzahl heraus regelt. Das vereinfacht die Konstruktion, weil keine Proportionalventile notwendig sind und es steigert die Energieeffi zienz: Im Vergleich zu den rein elektromechanischen Aktuatoren verbrauchen die SVA in der Spitze bis zu 75 % weniger Strom. Dadurch können die Motoren bei gleicher Verstellkraft des Aktuators kleiner ausgelegt werden, was wiederum Bauraum und Kosten spart. Die eingebaute Sensorik erfasst im Rahmen eines Condition Monitoring konti nuierlich die Betriebszustände innerhalb des Aktuators und meldet diese an die übergeordnete Leitsteuerung. Dort 12 antriebstechnik 2020/08 www.antriebstechnik.de

UMRICHTERTECHNIK 01 Konzeptbild einer Unterwasserfabrik 02 02 Die Subsea Valve Actuators (SVA) sind zuverlässig, bieten SIL3 Sicherheit und verbrauchen bis zu 75 % weniger Energie als elektro-mechanische Aktuatoren 01 können Trends ausgewertet, Abweichungen vom Normalzustand frühzeitig erkannt und behoben werden. AUTARKE ACHSEN AUS INDUSTRIE ALS VORBILD Innerhalb der SVA herrschen bei jeder Tiefe zwei bar Überdruck auf Grund eines redundanten Druckkompensationssystems. Bei 3 000 m Tiefe also 302 bar. Das verhindert ein Eindringen von Salzwasser und eine Überdimensionierung des Gehäuses durch die druckneutrale Auslegungssystematik. Rexroth setzt ausschließlich Unterwasserkabel, auch innerhalb der Achse, ein. Alle elektrischen Komponenten sind zusätzlich gekapselt. Bei der Entwicklung der SVA griffen die Tiefsee-Spezialisten von Rexroth auf das Prinzip der autarken Achsen von Rexroth für Industrieanwendungen zurück. Sie kommen bereits in verschiedenen industriellen Anwendungen zum Einsatz. Bosch Rexroth stellt die Einzelkomponenten in Großserie her. Wo notwendig hat Bosch Rexroth an den Komponenten Modifikationen für den Tiefsee-Einsatz vorgenommen. Auch hier kann der Hersteller auf bereits vorhandene Konzepte zurückgreifen, die zum Teil sogar für Tiefen bis 6 000 m Wassertiefe qualifiziert sind. Darüber hinaus erfüllen das System und die Kernkomponenten die besonderen Vorschriften verschiedener Klassifizierungsgesellschaften für den Marine- und Tiefsee-Einsatz. Bei der Entwicklung der SVA arbeitete das Unternehmen eng mit führenden Ausrüstern und Anwendern zusammen. Gemeinsam nutzen sie modernste Simulations umgebungen für den „Proof of Concept“ und den Bau von Prototypen für den Feldversuch. Damit sorgt fortschrittliche Antriebstechnik, die das Beste aus Elektromechanik und Hydraulik kombiniert, in den nächsten Jahrzehnten für eine sichere und zuverlässige Fördertechnik auf dem Meeresboden. Fotos: 01: DNV GL; 02: Bosch Rexroth AG www.boschrexroth.com Das Multitalent SD2S - High-Speed-Frequenzumrichter oder hochdynamischer Servoverstärker UMFANGREICHE ANTRIEBSFUNKTIONEN KOMPAKT FLEXIBEL Kundenspezifische Lösungen möglich LEISTUNGSFÄHIG www.sieb-meyer.de DU_SiebMeyer_SD2S_antriebstechnik8_185x90.indd 1 03.06.20 10:16 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/08 13

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