Zusammenspiel von Maschinenschutz und Zustandsüberwachung

Instandhaltungsstrategien und Zustandsüberwachung von Maschinen

Beim Betrieb von rotierenden Anlagen werden unterschiedliche Wartungsstrategien angewendet. Die einfachste Methode ist es, eine Maschine bis zum Stillstand durch einen Ausfall zu betreiben – und dabei das Risiko einzugehen, dass ein vergleichsweise kleiner Schaden teure Folgeschäden verursachen kann. Wenn die Verschleißprozesse in der Maschine gut verstanden werden und der zeitliche Verlauf des Verschleißes bekannt ist, sollten Verschleißteile kurz vor Erreichen ihrer Lebensdauer ausgetauscht werden, um das Bauteil optimal zu nutzen und Ausfälle von Komponenten zu vermeiden (vorbeugende Instandhaltung). Die Lebensdauer von Komponenten der Kolbenkompressoren, wie z.B. Ventilen und Lagern, unterliegt jedoch keinem linearen Verschleiß, was es schwierig macht, den besten Zeitpunkt für den Austausch einer Komponente zu bestimmen, hauptsächlich während der Betriebszeiten. Instandhaltungsentscheidungen für Komponenten, die einen nichtlinearen Verschleiß aufweisen, sind anspruchsvoll und können nicht zeitabhängig getroffen werden. Sie erfordern die Überwachung bestimmter Parameter, die eine Beurteilung des Zustands des Bauteils ermöglichen, und eine Schätzung des besten Zeitraums für den Austausch. Dies wird als Predictive Maintenance bezeichnet.

Welche Wartungsstrategie angewendet wird, hängt im Wesentlichen von zwei Parametern ab: a) wie Prozesskritisch die Maschine ist b) ob ein Ersatzverdichters zur Verfügung steht

Der Gesamtpopulation von Maschinen kann in vier Hauptkategorien unterteilt werden. Kategorie I Kritisch, nicht redundant Kategorie II Kritisch, redundant Kategorie III unkritisch, redundant Kategorie IV Unkritisch, nicht redundant

Generell gilt: Je kritischer eine Maschine – desto weniger akzeptabel ist es, sie zum Ausfall zu bringen oder sich auf eine vorbeugende Wartung zu verlassen. Ein unerwarteter Ausfall bzw. Stillstand einer Maschine hat negative Auswirkungen auf die Produktion oder Sicherheit. Die Verfügbarkeit eines Stand-by-Kompressors reduziert den Bedarf an vorausschauender Wartung, hat aber keinen Einfluss auf das erforderliche Sicherheitsniveau.

Die Lücke zwischen Maschinenschutz und Zustandsüberwachung

Besonders unkritische und verschont gebliebene Kolbenkompressoren werden nach wie vor ohne oder mit einem Minimum an Schutz betrieben. Die meisten kritischen Kompressoren sind dagegen mit zumindest einem Basisschutz wie Gehäuseschwingungen, niedrigem Schmieröldruck und Austrittsgastemperatur ausgestattet. Die Anzahl der Primärschäden ist groß und die vollständige Abdeckung all dieser Schäden würde eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Überwachungsparametern erfordern. Daher wird ein Kompromiss zwischen “Begrenzung von Folgeschäden” und “Anzahl der Schutzparameter” weitgehend praktiziert. Kurz gesagt: Abhängig vom Grad der akzeptablen Schäden werden die Schutzparameter bestimmt.

Eine allgemeine Richtlinie über die wesentlichen Schutzparameter kann der API618 entnommen werden. Dies sollte jedoch als das absolute Minimum angesehen werden und spiegelt nicht die aktuellen Erfahrungen der Branche wider.

Mindestanforderungen an Alarm und Abschaltung für Kolbenkompressoren (API 618 4th Edition)

• Hohe Austrittsgastemperatur für jeden Zylinder ist alarm- und abschaltrelevant.
• Niedriger Schmieröldruck ist alarm- und abschaltrelevant.
• Niedriger Schmierölstand ist alarmrelevant.
• Ausfall des Zylinder-Schmierstoffsystems ist alarmrelevant.
• Ein hoher Differenzdruck im Ölfilter ist alarmrelevant.
• Hohe Gehäuseschwingungen sind abschaltrelevant.
• Hoher Füllstand im Abscheider ist alarm- und abschaltrelevant.
• Ausfall des Kühlkreislauf Systems ist alarmrelevant.

Die Gehäuseschwingung wird typischerweise als ein Parameter betrachtet, der grundlegende Informationen über den mechanischen Zustand des Kolbenverdichters liefert. In den letzten Jahren hat sich jedoch die Erkenntnis durchgesetzt, dass Gehäuseschwingungen für den mechanischen Schutz nicht ausreichen. Die Überwachung von Schwingungseinflüssen auf den Kreuzkopfschlitten wurde als eine weitaus bessere Methode zur Erkennung aller wesentlichen mechanischen Probleme des Bewegungsablaufs anerkannt. Die jüngsten Erfahrungen haben auch gezeigt, dass Kolbenstangenausfälle nur durch die Überwachung der dynamischen Kolbenstangenlage (Kolbenstangenposition) verhindert werden können. Nur wenn ein Kolbenstangenversagen als akzeptabler Schaden angesehen wird, ist die Schwingung des Kreuzkopfes für den mechanischen Schutz ausreichend.

Typische Schutzverfahren für Kolbenverdichter

Protection systems are typically based on simple, but reliable, RMS parameters e.g. RMS vibration. Some of the values are transferred to DCS systems, but most recommended protection parameters such as low frame lube pressure or low suction pressure are not useful to provide any diagnostic information for preventive or even predictive maintenance.

Schutzsysteme basieren typischerweise auf einfachen, aber zuverlässigen Effektivwert Parametern wie z.B. Effektivwert-Schwingungen. Einige der Werte werden auf PLS-Systeme übertragen, aber die meisten empfohlenen Schutzparameter wie niedriger Gehäuseöldruck oder niedriger Saugdruck sind nicht sinnvoll, um Diagnoseinformationen für die vorbeugende oder sogar vorausschauende Wartung zu liefern.

1. vertikale Kolbenstangenlage zur Anzeige des Verschleißes des Tragrings
2. Kolbenstangenposition, die den mechanischen Zustand der Kolbenstange und ihrer Verbindungen anzeigt.

kommen vom gleichen Sensor und Signal. Es ist wirtschaftlich, beide Parameter zu nutzen, einen für den Schutz und einen für die Zustandsüberwachung. In den meisten Anwendungen wird jedoch nur ein Parameter verwendet, entweder zum Schutz oder zur Zustandsüberwachung.

Wie kann die Lücke zwischen Maschinenschutz und Zustandsüberwachung geschlossen werden?

Die Lücke zu schließen bedeutet, für beide Zwecke Überwachungssensoren und deren kontinuierlichen Informationsfluss einzusetzen. Dies ist wirtschaftlicher und erhöht die Qualität von Maschinenschutz und Zustandsüberwachung. Eine Möglichkeit, die Lücke zu schließen, besteht darin, hochfrequente Signaldaten zur detaillierten Analyse in einem am Schutzsystem angeschlossenen Gerät aufzuzeichnen. Die Luftfahrtindustrie setzt seit Jahrzehnten Flugdatenschreiber ein, die jedoch hauptsächlich nur in der Post-Mortem-Analyse eingesetzt werden. Aber warum sollten aufgezeichnete Daten nur dann verwendet werden, wenn ein Schaden eingetreten ist?

Die Verwendung der Schutzsensoren zur Zustandsüberwachung ist eine Option, eine weitere Option ist die Erhöhung der Frequenz und Signalmenge der Überwachungssensoren und die kontinuierliche Aufzeichnung der Daten für den On-Demand-Diagnoseansatz.

Die Diagnosezustandsüberwachung des Kolbenverdichters basiert typischerweise auf folgenden Faktoren a) p-V-Diagrammanalyse b) Zylinderschwingung c) Schwingungsüberwachung von Kurbelwellenlagern

Dabei werden vor allem Informationen über den Zustand von Komponenten wie z.B. Saug- und Druckventilen mit vergleichsweise hohen Ausfallraten gesammelt. Dies geschieht oft mit periodischer Schnappschussüberwachung, um Investitionskosten für Sensoren, Kabel und Diagnosesysteme zu sparen. Trenddaten liefern jedoch kontinuierliche Informationen mit einer wesentlich höheren diagnostischen Qualität als eine periodische Snapshot-Datenerfassung (Offline-Monitoring).

Die Diagnosequalität der Zustandsüberwachungsdaten wird durch zwei Variablen definiert:

• Anzahl der Signale/Sensoren
• Zeit, in der das Signal verfügbar ist / Frequenz der Aufzeichnungen

Die Diagnosequalität der Offline-Überwachung kann nicht verbessert werden, indem die Anzahl der überwachten Sensoren erhöht wird. Das Hinzufügen einiger nicht genutzter Sensorpositionen zu einem permanenten Datenrekorder erhöht die Diagnosequalität, da es bei Bedarf den Zugriff auf Online-Daten und lückenlose Trenddaten ermöglicht. Die Informationen stammen immer von den gleichen Sensoren und können ohne eine riskante Tätigkeit des Personals vor Ort, das einen tragbaren Datensammler bedient, gewonnen werden. Dies ist ein besonderer Vorteil auf See, wo der Einsatz von Menschen immer eine logistische Angelegenheit ist.

Kostenvorteil im Vergleich zu Zustandsüberwachungssystemen

Die Online-Zustandsüberwachung wird bei unkritischen und Ersatz-Maschinen häufig als zu kostspielig angesehen. Die Kosten kommen aus sechs Bereichen:

• Sensoren
• Feldverdrahtungfield wiring
• Datenerfassungssysteme
• computergestützte Server- und Überwachungssysteme
• Überwachungs- und Diagnosesoftware
• Analysten-Know-how

Online-Datenrekorder haben in drei von sechs Punkten einen wettbewerbsfähigen Preisvorteil:

• Feldverdrahtungfield wiring
• computergestützte Server- und Überwachungssysteme
• Überwachungs- und Diagnosesoftware

Diese drei Bereiche verursachen in der Regel mehr als 60% der Gesamtinvestitionen. Dies unterstreicht, dass permanente Datenschreiber eine signifikante Verbesserung der Diagnosequalität in einem wirtschaftlichen Rahmen ermöglichen können.

Moderne Schutzsysteme bieten heute die Möglichkeit, durch Hochfrequenz-Datenrekorder erweitert zu werden. Die Datenerfassungsplattform ist üblich, aber die Datenerfassung stört die Schutzfunktion nicht. Im Falle eines Maschinenausfalls stehen alle wichtigen Instrumente für die On-Demand-Analyse zur Verfügung. Während die mobile Offline-Datenerfassung oft nicht rechtzeitig erfolgt, werden die Daten hier lückenlos erfasst und sind somit immer im kritischen Moment verfügbar. Auf diese Weise können sofort Antworten auf die Ursache der Abschaltung gegeben und die Lücke zwischen Zustandsüberwachung und Maschinenschutz geschlossen werden.