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zustandsüberwachung Die Schwingungsanalyse als Basis für die Zustandsüberwachung rotierender Maschinen

Autor / Redakteur: Dipl.-Geol. Hans-A. Redemann / Dr. Jörg Kempf

Im Gegensatz zu „intelligenten“ Mess-, Stell- und Analysegeräten, die ihren Zustand selbst überwachen und melden, ist die Selbstdiagnose bei Maschinen noch nicht so stark ausgeprägt. Häufig benötigen Pumpen und ihre Antriebe, Turbomaschinen und andere rotierende Anlagenausrüstung noch eine externe Zustandsüberwachung.

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Gefährlichen Schwingungen auf der Spur: PlantWeb-Alerts geben dem Anlagenfahrer klare, eindeutige Hinweise über entstehende Probleme an einer DeltaV-Bedienstation.
Gefährlichen Schwingungen auf der Spur: PlantWeb-Alerts geben dem Anlagenfahrer klare, eindeutige Hinweise über entstehende Probleme an einer DeltaV-Bedienstation.
( Archiv: Vogel Business Media )

Fünf Prozent der Maschinen in einer Anlage können durch ihren Ausfall die Produktion zum Stillstand bringen. Diese kritischen Maschinen erfordern besondere Aufmerksamkeit vom Wartungs- und Bedienpersonal. In den meisten Fällen werden sie von einer Abfahrautomatik begleitet, um ein unkontrolliertes Abschalten des Prozesses zu verhindern. Aber ist all dies wirklich genug, um die Produktionspläne und -ziele einzuhalten? Heute erweitern immer mehr Anlagenbetreiber ihre Sicherheitssysteme mit vorausschauendem Schutz. Damit kann die Maschine innerhalb annehmbarer Parameter weiter arbeiten und wird erst dann repariert, wenn dazu die beste Zeit für die Anlage und die Produktion gekommen ist. Vorausschauender Schutz macht den Unterschied zwischen dem Retten der Maschine selbst und dem Retten des Produktionsplans. Er bedeutet Schutz für die kommerzielle Seite der Produktion.

Ein Praxisbeispiel: Mondi Business Papers in Südafrika hat den CSI 4500 Machinery Health Monitor von Emerson Process Management im Einsatz und konnte damit in sieben Monaten Schäden in der Größenordnung von 420 000 Euro verhindern. In der Anlage waren es unregelmäßige Anlagerungen auf den Schaufeln der Ventilatoren, die Luft in einen Rückgewinnungsbehälter pumpen. Das Online-System hat Veränderungen im Verhalten der Ventilatoren entdeckt und sowohl das Bedien- als auch das Wartungspersonal informiert und zum Eingreifen aufgefordert. Die ungleich verteilten Ablagerungen auf den Ventilatorschaufeln verursachten eine Unwucht der Antriebswelle, was über die Zeit zum Ausschlagen des Lagers geführt hätte. Lagerschäden am primären und sekundären Ventilator können zum Abschalten des Rückgewinnungs-Behälters für sechs bis acht Stunden führen. Und das hätte erhebliche Folgen nach sich gezogen, denn eine Stunde Stillstand kostet etwa 13 562 Euro – dabei sind die Kosten, die für die Reparatur der Maschinen anfallen, noch nicht mit berücksichtigt.

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Aus Schwingungen den Zustand ersehen

Der CSI 4500 überwacht die Schwingungsspektren der einzelnen Maschinen und gibt dem Bedienpersonal in Echtzeit Informationen darüber, wie ihr aktueller Zustand ist. Dabei muss es nicht einmal ein Schaden an der Maschine sein, es reichen Änderungen im Prozess, die sich auf das Schwingungsverhalten und damit auf den Maschinenzustand auswirken. Bestimmte Veränderungen im Prozess beeinflussen rotierende Maschinen negativ. So können beispielsweise niedrige Tank- oder Speisewasserstände die Vibration einer Pumpe oder Turbine erhöhen. Auch fehlerhaft installierte Ventile, inkorrekte Prozessparameter, erhöhte Lasten im Zustrom oder Verstopfungen im Abstrom beeinflussen den Maschinenzustand.

Informationen über den Maschinenzustand können in das PLS integriert werden, beispielsweise in Ovation und das digitale Automatisierungssystem DeltaV von Emerson. Das CSI 4500 überwacht den Zustand der Maschinen ständig, sendet allerdings – ereignisgesteuert – nur dann einen Alert oder neue Trenddaten an die Automatisierungssysteme, wenn sich der Zustand verändert. Mit der GT2 Prozessor-Option können das CSI 4500 und der AMS Machinery Manager eine Transientenanalyse erstellen und diese in Echtzeit darstellen, was besonders für große, kritische Turbomaschinen wichtig ist. Der AMS Machinery Manager kann in das Asset Portal, eine Applikation der AMS Suite, integriert werden, wodurch der Zustand von Maschinen im Zusammenhang mit dem anderer Assets gesehen und so die Effizienz der gesamten Anlage dargestellt und überwacht werden kann.

Die Überwachung von Prozessereignissen mit adaptiver, automatischer Schwingungsanalyse versendet PlantWeb Alerts mit der Information über den Fehler an die Bediener des digitalen Automatisierungssystems DeltaV. Hierzu ein Beispiel: Zeigt der Füllstandsensor in einem Tank an, dass der untere Grenzwert unterschritten wurde, erfasst der CSI 4500 dies und passt seine Überwachung derart an, dass er besonders darauf achtet, ob ein Kavitationsparameter einen Grenzwert überschreitet. Sobald dies geschieht, wird ein Parameter mit Namen „Kavitation“ als PlantWeb Alert an den Bediener der DeltaV-Station gesandt. Jetzt kann der Bediener eingreifen, etwa indem er den Füllstand des Fördertankes so verändert, dass die Schwingung verringert und die Effizienz der Pumpe erhöht wird, indem er den Füllstand im Tank so einstellt, dass Kavitation verhindert wird oder indem er die Drehzahl des Antriebs so erhöht, dass keine Resonanzschwingungen auftreten.

Probleme bei Zentrifugalpumpen und ihren Antrieben erkennen

Die Kombination Pumpe und Antrieb bildet das Rückgrat der Prozessanlagen in den meisten Branchen. Leider verursachen viele dieser mechanischen Ausrüstungen hohe Wartungskosten und sind für die Mehrzahl ungeplanter Anlagenstillstände verantwortlich. Mehr als die Hälfte der Ausrüstungen in Prozessanlagen besteht aus der Kombination Pumpe und Antrieb. Dies ist der Grund dafür, dass eine sorgfältige Überwachung gerade dieser Assets dazu beitragen kann, ungeplante Stillstände zu vermeiden und somit das Betriebsergebnis auf einem hohen Niveau zu halten. Der Messumformer CSI 9210 erfasst die Daten der verschiedenen Sensoren und ermittelt daraus den Gesamtzustand der Funktionseinheit Pumpe/Antrieb. Diese Zustandsermittlung basiert auf einer Analyseroutine, die speziell für diese Kombination optimiert und in den CSI 9210 integriert wurde. Der wichtigste Aspekt des CSI 9210 ist, dass er Ergebnisse und Informationen liefert, die den Betrieb der rotierenden Ausrüstung optimieren. Oft führen die Prozessbedingungen zu Problemen mit den Pumpen. Dazu gehören Kavitation, Überhitzung oder Überlastung, mechanische Probleme wie Unwucht, Dezentrierung der Welle oder Probleme mit abgenutzten Kugellagern. Auch die Wechselwirkung zwischen rotierender Ausrüstung und der Temperatur, dem Druck, dem Füllstand und dem Durchfluss ist oft nicht leicht zu verstehen. Wird diese Wechselwirkung besser verstanden, so wird es seltener zu Situationen kommen, die einen negativen Einfluss auf den Zustand der Ausrüstung haben. Je geringer der Einfluss solcher Faktoren ist, desto höher kann die Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit der Produktionsanlagen sein.

Wartungszyklen verlängern – inline und mobil

Neben den fest installierten Inline-Systemen CSI 4500 und CSI 9210 trägt auch das mobile CSI 2130 dazu bei, Wartungszyklen zu verlängern und Instandhaltungskosten zu reduzieren. So nutzt die belgische Marine das mobile CSI 2130 dazu, durch die Analyse der Schwingungen und des Schmieröls der Gasturbinen, die ihre Minenräumer antreiben, den Abstand zwischen zwei Wartungseinsätzen (Mean Time between Maintenance – MTBM) von 2500 auf 4000 Stunden zu erweitern. Mit Kosten in Höhe von 71 000 Euro pro Wartungszyklus wurden in den letzten sieben Jahren etwa 1,5 Millionen Euro eingespart. Die Einsatzbereitschaft dieser Schiffe und ihrer Ausrüstung ist besonders wichtig, da sich derzeit zwei Fregatten und sechs Minenräumer auf einer Friedensmission im Einsatz befinden. Das Betriebs- und Wartungspersonal trägt Verantwortung für den Betrieb der Anlage und kann dadurch auch unmittelbaren Einfluss auf den Zustand der rotierenden Ausrüstungen nehmen. Das Betriebspersonal steuert den Prozess und dessen Ablauf, was zeitweise dazu führt, dass die Maschinen manchmal abseits der optimalen Betriebsparameter funktionieren müssen. Die Instandhaltung ist zuständig für das reibungslose Funktionieren der Maschinen und dafür, ungeplante Stillstände zu vermeiden.

Der Messumformer CSI 9210 liefert Analysewerte, die dabei helfen, diese beiden Vorgaben besser erfüllen zu können. Alarme werden direkt über das Prozessleitsystem auf der Workstation des Anlagenfahrers angezeigt und helfen zu verstehen, wie Änderungen der Prozessparameter den Zustand der Ausrüstung beeinflussen – positiv oder negativ. Die Alarme können auch direkt dem Wartungspersonal zugänglich gemacht werden, das sie detailliert auswerten und entsprechende Wartungsarbeiten besser planen kann. n

Der Autor arbeitet als freier Journalist.

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