Rotierende Maschinen wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren sind ständig großen mechanischen Kräften ausgesetzt. Da die meisten dieser Maschinen für den Prozess kritisch sind, werden Systeme mit Schutz- und/oder Überwachungsfunktionen eingesetzt, um Ausfälle zu verhindern. In diesem Artikel stellen wir einige häufige drehzahlbedingte Ausfälle vor, die bei rotierenden Maschinen auftreten können.
Schutz der Drehzahl
1. Überdrehzahl
Die Konstruktion rotierender Maschinen ist so ausgelegt, dass sie einer bestimmten Drehzahl standhält, die als Konstruktionsgeschwindigkeit bezeichnet wird. Bei Überdrehzahl dreht sich die Welle der Maschine schneller, als die Konstruktion der Maschine standhalten kann. Die Kräfte nehmen exponentiell mit der Drehzahl zu, was dazu führen kann, dass sich Teile lösen. Dies könnte katastrophale Auswirkungen auf den Prozess, das Personal und die Umwelt haben. Risikoanalysen zeigen daher, dass in den meisten Fällen ein Überdrehzahlschutzsystem zwingend erforderlich ist. Durch Drehzahlmessungen kann die Rotationsgeschwindigkeit (RPM) gemessen werden. Ein Überdrehzahlschutz sorgt dafür, dass die Drehzahl innerhalb bestimmter Grenzen bleibt, um Schäden an der Maschine zu vermeiden. Werden die vordefinierten Grenzwerte überschritten, wird die Maschine sofort abgeschaltet (Abbildung 1). Diese Maschinenabschaltungen müssen innerhalb eines sehr kurzen Zeitrahmens erfolgen. Nach den aktuellen Maschinenrichtlinien (API 670) müssen Überdrehzahlschutzsysteme eine Reaktionszeit von maximal 40ms haben.
Überdrehzahl ist die größte Angst eines jeden Betreibers von rotierenden Maschinen. Wenn nicht rechtzeitig reagiert wird oder ein Überdrehzahlschutzsystem nicht richtig funktioniert, können sich Turbinenschaufeln oder Rotorteile lösen. Im schlimmsten Fall durchschlagen diese Teile das Turbinengehäuse, gefährden die Sicherheit des Personals und verursachen große Schäden an den von der Turbine angetriebenen Geräten.
2. Beschleunigung
Eine zu schnelle Beschleunigung einer rotierenden Maschine kann dazu führen, dass eine rotierende Maschine trotz des vorhandenen Überdrehzahlschutzes eine Überdrehzahl erreicht, was eine gefährliche Situation verursacht. Je nach Beschleunigungsgeschwindigkeit führt das Anhalten des Antriebs einer Maschine nicht sofort zu einer Verringerung der Drehzahl. Aufgrund größerer Kräfte kann die Drehzahl sogar schon kurze Zeit nach dem Anhalten des Fahrers ansteigen. Wenn ein Überdrehzahlschutzsystem bei Erreichen des Grenzwertes von 110 % der maximal zulässigen Drehzahl auslöst, kann ein gewisses Maß an Beschleunigung immer noch dazu führen, dass die aufgelaufene Drehzahl die zulässigen 110 % überschreitet (Abbildung 2). Auf diese Weise erreicht die Maschine immer noch eine kritische Drehzahl, was Schäden zur Folge hat.
Während des Anlaufs einer rotierenden Maschine sollte diese, je nach verfügbarer Energie, vor Beschleunigung geschützt werden. Anders als beim Überdrehzahlschutz wird beim Beschleunigungsschutz nicht nur die Drehzahl betrachtet, sondern der Anstieg der Drehzahl innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls. Wenn die Drehzahlsensoren einen übermäßigen Beschleunigungsanstieg feststellen, schaltet das Schutzsystem die Turbine ab.
Wenn die Maschine nicht gegen Beschleunigung geschützt ist, wird sie trotzdem überdrehen. Ein Überdrehzahlschutz ist nicht in der Lage, die Maschine bei einer übermäßigen Beschleunigung rechtzeitig zu stoppen.
Überwachung der Drehzahl
3. Rückwärts drehen
Es kann vorkommen, dass der vom Prozess erzeugte Druck einen Verdichter dazu bringt, sich in die falsche Richtung zu drehen, während die Turbine, die diesen Verdichter antreibt, nicht in Betrieb ist. Dies wird als Rückwärtsdrehung bezeichnet. Dieser Druck kann entstehen, weil das Ansaugventil nicht richtig schließt und dadurch ein Leck entsteht. Wenn die Turbine in diesem Zustand des Verdichters in Betrieb genommen wird, führt dies zu Schäden. Der Druck, der sich durch die Rückwärtsdrehung aufbaut, und der Druck der Turbine wirken einander entgegen, was zum Beispiel zu Schäden an der Kupplung führen kann. Dabei handelt es sich oft um finanzielle Schäden, die aber keine direkte Gefahr für Personal und Umwelt darstellen.
4. Stillstand / Kriechen
Es ist wichtig, dass eine Turbine tatsächlich stillsteht, bevor mit den Abstell-/Wartungsarbeiten begonnen wird. Denn die enorme Masse einer Turbine kann zu gefährlichen Situationen führen, wenn mit den Wartungsarbeiten begonnen wird, während sich die Turbine noch langsam dreht. Um dies zu überwachen, müssen Geschwindigkeitsmessungen über einen längeren Zeitraum als bei normalen Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt werden, da die Turbine während des Abschaltvorgangs mit einer sehr niedrigen Drehzahl läuft.
5. Unterdrehzahl
Unterdrehzahl ist das Gegenteil von Überdrehzahl, aber ein weniger kritischer Fehler. Um einen Prozess am Laufen zu halten, muss eine Anlage eine Mindestdrehzahl einhalten. Bei einer niedrigeren Drehzahl kann der Prozess nicht mehr betrieben werden. Obwohl eine Unterdrehzahl aufgrund der Unterbrechung des Produktionsprozesses höchst unerwünscht ist, hat sie nicht die gleichen katastrophalen Auswirkungen wie eine Überdrehzahl. Grenzwerte können so eingestellt werden, dass ein Alarm ausgelöst wird, wenn die Mindestdrehzahl erreicht wird, mit der der Prozess weiterläuft. So kann der Bediener das Auftreten von Unterdrehzahl verhindern. Die Messung der Unterdrehzahl kann auch dazu verwendet werden, um z. B. anzuzeigen, dass ein Tippmotor eingeschaltet werden kann.
Istec-Hardware
Der SpeedSys 200 ist ein SIL2-zertifiziertes Überdrehzahlschutzsystem. Das robuste Design mit fortschrittlicher Selbstüberwachung, galvanisch getrennten Ein- und Ausgängen und Zertifizierung durch Design machen es zu einem High-End-Produkt, das sich auf dem Markt abhebt. Die Konzentration auf die wichtigsten Sicherheitsfunktionen macht das System benutzer- und wartungsfreundlich, mit sehr langen Proof-Test-Intervallen.
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Zur Prüfung und Verifizierung von Überdrehzahlschutzsystemen hat Istec den Frequenzgenerator IST-101 entwickelt. Dieses Tool simuliert Geschwindigkeitssignale, wodurch die Auslösefunktion eines Schutzsystems vollständig getestet werden kann, ohne eine tatsächliche Überdrehzahlsituation zu erzeugen.
