Rotierende Maschinen wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren sind ständig erheblichen mechanischen Kräften ausgesetzt. Da die meisten dieser Maschinen für den Prozess von entscheidender Bedeutung sind, werden Systeme mit Schutz- und/oder Überwachungsfunktionen implementiert, um Ausfälle zu verhindern. In diesem Artikel beleuchten wir einige häufige drehzahlbedingte Ausfälle, die bei rotierenden Maschinen auftreten können.
Geschwindigkeitsschutz
1. Geschwindigkeitsüberschreitung
Die Konstruktion rotierender Maschinen ist darauf ausgelegt, einer bestimmten Drehzahl standzuhalten, die als Auslegungsdrehzahl bezeichnet wird. Bei einer Überdrehzahl dreht sich die Welle der Maschine schneller, als es die Maschinenkonstruktion aushalten kann. Die Kräfte nehmen exponentiell mit der Drehzahl zu, was dazu führen kann, dass sich Teile lösen. Dies könnte katastrophale Auswirkungen sowohl auf den Prozess als auch auf das Personal und die Umwelt haben. Risikoanalysen zeigen daher, dass in den meisten Fällen ein Überdrehzahlschutzsystem vorgeschrieben ist. Durch Drehzahlmessungen lässt sich die Drehzahl (RPM) ermitteln. Ein Überdrehzahlschutzsystem stellt sicher, dass die Drehzahl innerhalb bestimmter Grenzen bleibt, um Schäden an der Maschine zu verhindern. Werden die vordefinierten Grenzwerte überschritten, wird die Maschine sofort abgeschaltet (Abbildung 1). Diese Abschaltungen müssen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums erfolgen. Gemäß den aktuellen Maschinenrichtlinien (API 670) dürfen Überdrehzahlschutzsysteme eine Reaktionszeit von höchstens 40 ms aufweisen.
Überdrehzahl ist die größte Angst jedes Betreibers von rotierenden Maschinen. Eine nicht rechtzeitige Reaktion oder eine Fehlfunktion eines Überdrehzahlschutzsystems könnte dazu führen, dass sich Turbinenschaufeln oder Rotorteile lösen. Im schlimmsten Fall durchschlagen diese Teile das Turbinengehäuse, gefährden die Sicherheit des Personals und verursachen erhebliche Schäden an den von der Turbine angetriebenen Anlagen.
2. Beschleunigung
Eine zu schnelle Beschleunigung einer rotierenden Maschine kann dazu führen, dass diese trotz des vorhandenen Überdrehzahlschutzsystems in den Überdrehzahlbereich gerät, was eine gefährliche Situation verursacht. Je nach Beschleunigungsgeschwindigkeit führt das Anhalten des Antriebs einer Maschine nicht sofort zu einer Verringerung der Drehzahl. Aufgrund großer Kräfte kann die Drehzahl sogar noch kurz nach dem Anhalten des Antriebs ansteigen. Wenn ein Überdrehzahlschutzsystem bei Erreichen des Grenzwerts von 110 % der maximal zulässigen Drehzahl auslöst, kann ein gewisses Maß an Beschleunigung dennoch dazu führen, dass die aufgelaufene Drehzahl die zulässigen 110 % überschreitet (Abbildung 2). Auf diese Weise erreicht die Maschine dennoch eine kritische Drehzahl, was zu Schäden führt.
Beim Anlaufen einer rotierenden Maschine sollte diese – abhängig von der verfügbaren Energie – vor Beschleunigung geschützt werden. Anders als beim Überdrehzahlschutz berücksichtigt der Beschleunigungsschutz nicht nur die Drehzahl, sondern auch den 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, gerät sie dennoch in Überdrehzahl. Ein Überdrehzahlschutzsystem ist nicht in der Lage, die Maschine bei einem übermäßigen Beschleunigungsanstieg rechtzeitig anzuhalten.
Drehzahlüberwachung
3. Umgekehrte Drehung
Es kann vorkommen, dass der Druck aus dem Prozess dazu führt, dass sich ein Kompressor in die falsche Richtung dreht, während die Turbine, die diesen Kompressor antreibt, nicht in Betrieb ist. Dies wird als Rückwärtsdrehung bezeichnet. Dieser Druck kann entstehen, weil das Saugventil nicht richtig schließt und dadurch ein Leck entsteht. Wird die Turbine bei diesem Zustand des Kompressors in Betrieb genommen, führt dies zu Schäden. Der durch die Rückwärtsdrehung entstehende Druck und der Druck der Turbine wirken einander entgegen, was beispielsweise zu Schäden an der Kupplung führen kann. Dabei handelt es sich häufig um finanzielle Schäden, die jedoch keine direkte Gefahr für Personal und Umwelt darstellen.
4. Stillstand/Kriechen
Es ist wichtig, dass eine Turbine tatsächlich stillsteht, bevor mit Turnaround- oder Wartungsarbeiten begonnen wird. Schließlich kann die enorme Masse einer Turbine gefährliche Situationen verursachen, wenn Wartungsarbeiten begonnen werden, während sich die Turbine noch langsam dreht. Um dies zu überwachen, müssen Drehzahlmessungen über einen längeren Zeitraum als bei normalen Drehzahlmessungen durchgeführt werden, da die Turbine während ihres Abschaltvorgangs mit sehr niedriger Drehzahl läuft.
5. Untergeschwindigkeit
Unterdrehzahl ist das Gegenteil von Überdrehzahl, stellt jedoch einen weniger kritischen Fehler dar. Um einen Prozess am Laufen zu halten, muss eine Anlage eine Mindestdrehzahl aufrechterhalten. Bei einer niedrigeren Drehzahl kann der Prozess nicht mehr betrieben werden. Obwohl Unterdrehzahl aufgrund einer Störung des Produktionsprozesses höchst unerwünscht ist, hat sie nicht die gleichen katastrophalen Auswirkungen wie Überdrehzahl. Es können Grenzwerte festgelegt werden, sodass ein Alarm ausgelöst wird, sobald die zur Aufrechterhaltung des Prozesses erforderliche Mindestdrehzahl erreicht ist. So kann der Bediener das Auftreten von Unterdrehzahl verhindern. Messungen der Unterdrehzahl können auch dazu dienen, beispielsweise anzuzeigen, dass ein Schrittmotor eingeschaltet werden kann.
Istec-Hardware
Das SpeedSys 200 ist ein SIL-2-zertifiziertes Überdrehzahlschutzsystem. Die robuste Bauweise mit fortschrittlicher Selbstüberwachung, galvanisch getrennten Ein- und Ausgängen sowie der Zertifizierung nach Design machen es zu einem High-End-Produkt, das sich auf dem Markt hervorhebt. Die Konzentration auf die zentralen Sicherheitsfunktionen sorgt für ein System, das einfach zu bedienen und zu warten ist und sehr lange Prüfintervalle aufweist.
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Zur Prüfung und Verifizierung von Überdrehzahlschutzsystemen hat Istec den Frequenzgenerator IST-101 entwickelt. Dieses Gerät simuliert Drehzahlsignale, wodurch die Auslösefunktion eines Schutzsystems vollständig getestet werden kann, ohne eine tatsächliche Überdrehzahlsituation zu erzeugen.
