Use Case Turboverdichter

Anwendungsgebiet in der
chemischen Industrie
Abbildung: Anwendungsgebiet in der chemischen Industrie

In der Industrie sind für den Ablauf zahlreicher Prozesse Gase in verschiedenen Mengen und definierten Zuständen unverzichtbar. Vor allem dann, wenn Gase mit einem bestimmten Druck benötigt werden, kommen Verdichter bzw. Kompressoren unterschiedlichster Bauart zum Einsatz. Vielfach sind nur Turboverdichter im Stande, größere Abnahmemengen des Gases mit den geforderten Druckerhöhungen kontinuierlich bereit zu stellen. Bekannte Beispiele hierzu sind Industrieanlagen wie Raffinerien in der Petroindustrie, Verhüttungswerke in der Metallurgie, die Sauerstoffbereitstellung für Klärwerke, der Abgasturbolader in der Automobilindustrie, Strahltriebwerke in der Turbinentechnik oder Prozessturboverdichter in der chemischen Industrie.

Gegenstand der Untersuchungen, die im Rahmen von SAKE durchgeführt werden, sind die so genannten Turboverdichter. Mit Turboverdichter werden im Allgemeinen Strömungsarbeitsmaschinen bezeichnet, die ein Gas auf ein Druckverhältnis größer 1,3 komprimieren. Sie zeichnen sich durch eine rotierende Arbeitsweise und die damit verbundene kontinuierliche Förderung und Verdichtung eines Gases aus.

Da Turboverdichter benutzt werden, um dem entsprechendem technologischen Prozess bestimmte Fördermengen und Drücke zur Verfügung zu stellen, wird die Betriebsweise eines Turboverdichters als Kennlinie oder Kennfeld dieser beiden Prozessgrößen veranschaulicht. Dabei ist zu beachten, dass es während des Betriebes zu gefährlichen Situationen kommen kann, wenn der Turboverdichter zu nah an den Stabilitätsgrenzen oder darüber betrieben wird. Die wichtigste Betriebsgrenze wird als Pumpgrenze bezeichnet und beschränkt den Betrieb auf Mengen, welche größer als eine Mindestmenge sind.

TurboverdichterKennfeld eines Turboverdichters. Rot dargestellt ist die Pumpgrenze, die während des Betriebes nicht überschritten werden darf.Das Pumpen ist eine starke Schwingung von Druck und Fördermenge. Die gestrichelten Linien deuten eine sehr große Änderungsgeschwindigkeit an.

 

 

Schwingungsüberwachungs-Modul CCM-221
Abbildung: Schwingungsüberwachungs-Modul CCM-221

Wird der Verdichter unterhalb der Mindestmenge betrieben, stellt sich das so genannte Pumpen – ein aerodynamisch instabiler Zustand des Verdichters – ein. Dabei wird die normalerweise sehr kontinuierlich verlaufende Strömung stark gestört und sowohl der aufgebaute Enddruck als auch die Fördermenge beginnen zyklisch zu oszillieren bis hin zur Richtungsumkehr des strömenden Gases. Hinsichtlich des Verdichtungsprozesses ergeben sich dadurch folgenschwere Störungen. Neben der stark nachteiligen Beeinflussung des technologischen Prozesses, unterliegen die Komponenten des Turboverdichters während dieses Zustandes einer enormen Belastung. Die einwirkenden Kräfte können bis zu deren Zerstörung führen. Darüber hinaus stellt das Pumpen einen sich selbst aufrechterhaltenden Zustand dar, der solange anhält, bis eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird.

Zur Vermeidung unerwünschter Betriebszustände von Kompressoranlagen werden Schwingungsüberwachungs-Systeme eingesetzt. Aktuell befindet sich bei AviComp Controls eine Hardwareentwicklung im Abschluss der Prototypen-Phase. Mit dem Schwingungsüberwachungs-System CCM-221 können z.B. Lager-Zustände von Kompressoren sowie gefährliche Maschinenzustände überwacht werden. Auf Grund der Komplexität, ist es jedoch schwierig, ein sich anbahnenden Wartungsbedarf sowie unerwünschte Betriebszustände zu prognostizieren. Wegen der hohen Abtastrate der Sensoren, die Anzahl der installierten Sensoren je Maschine und der installierten Maschinenmenge fallen sehr große Datenmengen an, welche durch IT gestützte Verarbeitung inklusive benötigter spezieller Algorithmen einer Auswertung unterzogen werden müssen.

Im Rahmen von SAKE werden daher Entwicklungen angestrebt, die dem optimierten und sicheren Betrieb von Kompressoranlagen dienen. Die angestrebten Ergebnisse sehen im Einzelnen wie folgt aus:

  1. Körperschallanalyse und Früherkennung aerodynamischer Instabilitäten von Kompressoranlagen
  2. Früherkennung von sich anbahnenden Wartungsbedarf anhand einer Schwingungsanalyse, wie z.B. Lagerschäden
  3. Langzeitmessung und –analyse mit datenbankbasierter Auswertung, wie z.B. der Erfassung von Prozesswerten, Erstellung und Analyse von pV-Diagrammen sowie Beobachtung der Langzeitdrift von Ortskurven
  4. Remote-Verbindungen zum Schwingungsüberwachungs-System CCM-221 zur dedizierten Maschinenzustandsanalyse bzw. Ausfallprognose
  5. Integration und Adaption des Schwingungsüberwachungs-System CCM-221 an die SAKE-Plattform