Erläuterung: Wie und wann Schwingungen und Stangenverschiebungen überwacht werden sollten
Kolbenkompressoren gehören zu den kritischsten Maschinen in Branchen wie der (petro-)chemischen Industrie, der Energiewirtschaft sowie der Öl- und Gasindustrie. Im Gegensatz zu anderen rotierenden Maschinen sind Kolbenkompressoren sehr wartungsintensiv. Daher ist es entscheidend, über fortschrittliche Überwachungssysteme zu verfügen, um verschiedene wesentliche mechanische Parameter wie Schwingungen und den Kolbenstangenabfall zu überwachen. Dieser Anwendungshinweis zeigt, wie eine Konfiguration zur Überwachung von Schwingungen und des Kolbenstangenabfalls an einem typischen 2-Zylinder-Kolbenkompressor eingerichtet wird und wie diese Signale kombiniert werden können, um tiefere Einblicke in die Maschine zu gewinnen.
Schwingungsmessungen
Schwingungsmessungen an Kolbenkompressoren erweisen sich aufgrund der natürlichen mechanischen Bewegung dieser Kompressoren als schwierig. Die Überwachung der Schwingungen an verschiedenen Punkten der Maschine ist jedoch entscheidend, um Einblicke in den Maschinenzustand zu gewinnen und so einen stabilen Prozess aufrechtzuerhalten. Zu diesen Punkten gehören die Gehäuseschwingung (Beschleunigungsmesser) und die Kreuzkopfschwingung (Beschleunigungsmesser), wie in Abbildung 1 dargestellt.
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Schwingungssensoren
Beschleunigungsmesser werden zur Messung von Gehäuseschwingungen an Kolbenkompressoren eingesetzt. Ein Sensor wird sowohl am angetriebenen als auch am nicht angetriebenen Ende positioniert (Abbildung 1).
Ein weiterer Beschleunigungsmesser wird zur Messung der Schwingungen des Kreuzkopfes verwendet und sollte oberhalb des Kreuzkopfes angebracht werden (Abbildung 1).
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Transmitterbasierter Schutz und Überwachung; VibroSmart (VSV301)-Modul
Die Sensoren, die zur Erfassung der Schwingungsdaten verwendet werden, sind an das VibroSmart (VSV301)-Modul angeschlossen; ein senderbasiertes (DIN-Schiene) Zweikanal-System zum Schutz und zur Überwachung von Schwingungen. Dieses System ist für die skalierbare und fortschrittliche Überwachung und den Schutz von (kritischen) rotierenden Maschinen, einschließlich Kolbenkompressoren, ausgelegt. Als eigenständiges System bietet das VibroSmart zwei Kanäle, doch dank seiner Skalierbarkeit können mehrere Module angeschlossen werden, um jeder Anwendung gerecht zu werden.
Stangenverschiebung/Verschleiß des Führungsbandes
Reiterringe sind entscheidende Bauteile, die den Kolben stützen, während er sich durch den Zylinder des Kolbenkompressors bewegt. Sie nutzen sich mit der Zeit ab, was zu einer vertikalen Verschiebung des Kolbens und der Kolbenstange führt. Um Schäden am Kolben und an der Zylinderwand zu verhindern, sollte der Verschleiß dieser Reiterringe überwacht werden. Da eine direkte Messung des Verschleißes der Reiterringe aufgrund des hohen Drucks in der Zylinderkammer schwierig ist, wird stattdessen die vertikale Verschiebung der Kolbenstange gemessen.
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Transmitterbasierte Überwachung; RecipSys 200 
Das RecipSys 200 ist ein kompaktes Überwachungssystem (DIN-Schiene) für Kolbenkompressoren und ermöglicht die Überwachung des Verschleißes der Laufringe, wodurch regelmäßige Abschaltungen für manuelle Inspektionen entfallen.
Phasenreferenzsensor
Der RecipSys 200 verwendet einen Phasenreferenzsensor (oder Phasentrigger), um die Kolbenstangenposition an einem bestimmten Punkt des Zyklus zu messen, wodurch er wesentlich genauer ist als eine Gesamtmessung (Abbildung 2).
Stab-Wegsensor
Zur Messung der vertikalen Verschiebung der Kolbenstange wird ein Näherungssensor verwendet. Wenn sich die Führungsringe abnutzen, sinkt die Kolbenstange entsprechend ab (Abbildung 2).
Messung von Schwingungen und Pleuelverschiebungen an einem 2-Zylinder-Kolbenkompressor.
Ein eigenständiges RecipSys-200-Modul verfügt über zwei Eingänge für Kolbenstangensenkungssignale und einen Drehzahlmessereingang, was bedeutet, dass für einen 2-Zylinder-Kompressor ein Modul erforderlich ist. Unabhängig von der Kompressorkonfiguration wird für die getriggerte Kolbenstangenüberwachung nur ein Phasenreferenzsensor benötigt (Abbildung 3).
Da die Überwachung der Gehäuseschwingungen (2x Beschleunigungssensor) und der Kreuzkopfschwingungen (2x Beschleunigungssensor) insgesamt vier Sensoren erfordert, sind zwei VibroSmart-Module erforderlich. Das Drehzahlmessersignal des VibroSmart-Moduls kann verwendet werden, um einen Phasenreferenzsensor anzuschließen und ein bestimmtes Schwingungsfrequenzband zu filtern, das mit der Drehzahl des Kolbenkompressors in Zusammenhang stehen kann.
Da sowohl das RecipSys 200 als auch das VibroSmart (VSV301) auf Messumformern basierende Systeme sind, lassen sie sich leicht an jede beliebige Konfiguration anpassen. Die Daten beider Systeme können in einer Analyseplattform integriert werden.
Datenanalyse
Sowohl die durch den Stangenabfall ausgelösten Ausgangssignale der RecipSys 200-Module als auch die Schwingungsdaten der VibroSmart-Module können an die (optionale) VibroSight®-Softwareplattform gesendet werden; dabei handelt es sich um eine externe Überwachungssuite zur Analyse sowohl der Schwingungs- als auch der Stangenpositionsdaten. Darüber hinaus bietet VibroSight® umfangreiche Analyseoptionen, um übermäßige Schwingungen zu identifizieren und deren Ursachen zu ermitteln.
