Fehlerfrüherkennung und Abschaltung eines Kompressors aufgrund eines Kreuzkopfschadens

In den vergangenen Jahren setzen immer mehr Betreiber von Kolbenkompressoren spezialisierte Zustandsüberwachungssysteme ein, insbesondere für ihre Kolbenmaschinen. Diese Systeme verfügen über automatische Abschaltfunktionen, um katastrophale Maschinenausfälle zuverlässig zu verhindern. Der aktuelle Trend geht weg davon, einfach einen Schwinggeschwindigkeitssensor am Rahmen kritischer Maschinen anzubringen.

Tatsächlich ist es viel effektiver, Sicherheitsabschaltkriterien basierend auf gemessenen Beschleunigungswerten direkt am Kreuzkopf zu verwenden, um die dynamische Kolbenstangenlage kontinuierlich zu messen. Besonders diese Art der Sicherheitsüberwachung bietet sich an, da moderne und schnelle Datenerfassungssysteme verfügbar sind. Darüber hinaus spielt die Methode der automatischen Datenauswertung eine wesentliche Rolle.

Die Entwicklung einer solchen Analyse, um einen Durchschnittswert über einen bestimmten Zeitraum zu berechnen und mit den entsprechenden Grenzwerten zu vergleichen, reicht einfach nicht aus. Bei Kolbenkompressoren ist es wichtig, die einzelnen Ereignisse über eine Umdrehung zu erkennen und zu analysieren. Dies bringt jedoch die Verantwortung mit sich, weitere Grenzwerte zu verwalten. Dabei spielt die Erfahrung, mit welchen tatsächlichen Grenzwerten man dieses moderne Überwachungssystem einstellt, eine sehr grosse und wichtige Rolle.

Üblicherweise basieren diese Grenzwerte auf tatsächlich gemessenen Werten. Dies liegt daran, dass jeder Kolbenkompressor spezifische Schwingungsreaktionen und Signaturen entsprechend seinem Design und den Betriebsbedingungen aufweist. Die Herausforderung besteht darin, eine Maschine mit korrekten Grenzwerten in Betrieb zu nehmen, ohne spezifisches Wissen über die Schwingungsreaktion der Maschine oder das, was wir als Basisdaten bezeichnen.

Dieser Artikel beschreibt einen Fall, in dem ein Maschinenausfall erfolgreich erkannt und automatisch abgeschaltet wurde, wobei nur die von uns bereitgestellten werkseitigen Standard-Sicherheitsgrenzwerte verwendet wurden. Durch diese erfolgreiche automatische Abschaltung konnten Folgeschäden verhindert werden.

Seit Dezember sind alle vier Maschinen mit einem PROGNOST-NT-Überwachungssystem ausgestattet. Das System arbeitet mit Beschleunigungssensoren am Kreuzkopf-Schlitten (CHS) und am Zylinder. Zusätzlich sind Näherungssensoren am Packungsflansch montiert, um die Verschiebung der Kolbenstangenlage zu messen.

Vier Jahre später erhielt der Kundendienstspezialist einen Hotline-Anruf. Dieser Anruf wurde vom Kunden getätigt, um eine Datenüberprüfung aufgrund einer aktuellen automatischen Maschinenabschaltung durch das Überwachungssystem zu erfragen. Eine der vier Kolbenmaschinen wurde bei „CHS Vibration RMS 36 Segment/Zylinder 2“ ausgelöst, aber der Bediener konnte von außen nichts an der Maschine erkennen. Hinweis: Dieser Anruf war im Servicevertrag des Kunden bereits enthalten.

Die betreffende Maschine ist eine vierzylindrige, einstufige, doppeltwirkende Erdgas-Transportanlage (fünf Jahre altes Modell) mit einer Bohrung von 6,9 Zoll (175 mm) und einem Hub von 9,65 Zoll (245 mm). Die Drehzahl liegt im Bereich zwischen 380 und 740 U/min. Die Leistung beträgt 2280 PS (1700 kW). Sie ist mit einer stufenlosen Drehzahl- und Ventilregelung (25-50-75-100 %) ausgestattet. Ansaug- und Auslassdruck betragen 435 und 1160 PSI (30 und 80 bar), während Ansaug- und Auslasstemperaturen 15 °C und 150 °C (59 °F und 302 °F) betragen.

Die bewährte Strategie für die Schwingungsanalyse ist die sogenannte segmentierte Schwingungsanalyse, die auf 36 Segmenten basiert. Jeder 10° KW-Winkel (Kurbelwinkel) stellt ein Segment pro Umdrehung dar, für das der RMS-Schwingungswert berechnet wird.

Für jedes Segment gibt es eine individuelle Grenze, die unabhängig voneinander eingestellt werden kann, um Fehlalarme zu vermeiden, die durch höhere Werte verursacht werden, beispielsweise durch starke Schläge am Auslassventil oder höhere Schwingungspegel an den Lastumkehrpunkten der Stange.

Ausserdem überprüft das System den Spitze-Spitze-Wert des Kolbenstangenlagesignals basierend auf acht Segmenten pro Umdrehung. Zusätzlich zählt das System die Anzahl der Segmente während einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen und in welchen und wie vielen Segmenten eine Grenze überschritten wird.

Der Sicherheitsgrenzwert des Kreuzkopf-Schwingungssensors von Kurbel 2 wurde mit den tatsächlich gemessenen Werten angepasst. In diesem Fall ist der Grenzwert über alle Segmente gleich und beträgt 40 m/s², anstatt die Grenzwerte unabhängig voneinander einzustellen. Der Vorteil der unabhängigen Einstellung liegt im unterschiedlichen Schwingungsverhalten innerhalb einer Umdrehung. Die Anpassung der Sicherheitsgrenzwerte für die Kolbenstangenlage erfolgt ähnlich.

Um 12:59 hat das Überwachungssystem einen katastrophalen Pleuelstangenbruch erkannt und eine automatische Abschaltung der Maschine ausgelöst. Die ersten Frühwarnungen wurden etwa um 12:38 registriert.

Etwa 21 Stunden vor der Abschaltung haben wir die ersten Meldungen zur frühzeitigen Fehlererkennung übermittelt. Dies ist im folgenden Auszug aus dem System-Logbuch dargestellt.

Der RMS-Wert des Segments 8 (70° bis 80° KW) und dessen Sicherheitsgrenzwert für dieses Segment (40 m/s²) wurde um 12:38 erstmals überschritten. Die Abschaltung erfolgte 21 Minuten später.

Da das Produktionspersonal vor Ort den Fehler nicht erkennen konnte, starteten sie die Maschine ein zweites Mal. Dies führte dazu, dass die Maschine aufgrund derselben Bedingung erneut abgeschaltet wurde.

Die gemessene RMS-Vibration der Pleuelstange aller 36 Segmente und die Kolbenstangenlage Spitze-Spitze aller acht Segmente wurden in einer farbigen 3D-Trendansicht über einen Zeitraum von zwei Monaten dargestellt. Ein Bediener kann sehen, wie die Vibration langsam anstieg und dann deutlich hohe Werte erreichte. Eine logische Annahme ist, dass der Schaden nicht abrupt aufgetreten ist.

Schliesslich trat der Anstieg der Vibration nur in sechs der insgesamt 36 Segmente auf, was die Gesamtvibration der vollen Umdrehungen um etwa 6 % erhöht hätte. Da das Schutzsystem auf den richtigen Zeitraum der Segmente fokussiert werden konnte, war der gemessene RMS-Wert hoch genug für eine klare Erkennung.

Die sicherheitsrelevanten Signale von Zylinder 2 über eine Umdrehung waren ebenfalls zum Zeitpunkt der Abschaltung, drei Stunden davor und im Vergleich zu einem bekannten guten Zustand deutlich erkennbar. Zur besseren Darstellung sind die Signale mit einem Offset gezeigt. Diese Hochgeschwindigkeitsdaten wurden im Ringspeicher des PROGNOST-Systems gespeichert. Die erhöhte Vibration ist deutlich zwischen 40° und 100° KW sichtbar.

Die Fallstudie zeigt am Beispiel einer automatischen Abschaltung in diesem entscheidenden Moment ohne menschliches Eingreifen, wie wichtig es ist, eine Maschine mit moderner Überwachungstechnologie zu schützen, um Ausfälle frühzeitig zu erkennen und dem Wartungsteam rechtzeitig zu ermöglichen, einzugreifen. Ebenso ist es wichtig, die Möglichkeit zu haben, individuelle Grenzwerte festzulegen, die wichtigen Sensoren auszuwählen und die richtige Analyse zu verwenden. Wenn die richtige Vorbereitung getroffen wird, kann ein katastrophaler Ausfall frühzeitig verhindert werden, um Folgeschäden zu vermeiden.