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Mehrleistung und Sicherheit bei Hochdruckpumpen Chemieanlagen mit dem Betreiber kommunizieren lassen

12.07.2018

Wie klassische Pumpen muss auch die cyber-physische Industriepumpe 4.0 in erster Linie Medien zuverlässig von A nach B fördern. Moderne Technologie erhöht dabei den Komfort für Anlagenbetreiber: Ihm stehen heute Möglichkeiten der Individualisierung offen und er kann bequem Leistungs- und Zustandsparameter seiner Pumpen überwachen.

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Die Chemieproduktion der Zukunft muss flexibler werden – gefragt sind deshalb modulare Anlagen, die aus Plug-and-Play-Komponenten nach Bedarf für unterschiedliche Prozesse, Produktionsvolumina oder Standorte angepasst werden können. Robuste Technologien ermöglichen dabei Schwankungen in der Produktionsmenge beispielsweise abhängig vom Energieangebot. Und automatisierte Prozesssteuerungen verbessern die Verfahren eigenständig anhand von Echtzeitmessungen. Das bedeutet mit Blick auf die hier arbeitende Industriepumpe: Sie sollte möglichst unterschiedliche Fördervolumina und -drücke abdecken. Und sie braucht Augen und Ohren – also geeignete Industriesensoren, um die für den Produktionsprozess relevanten Parameter erfassen und verarbeiten zu können.

Grundfos hat unter anderem für solche Anforderungen sein umfangreiches Angebot an Hochdruckkreiselpumpen der Baureihe CR überarbeitet und nach oben erweitert: Die bisherigen Typen CR 90, 120 und 150 werden ersetzt durch die XL-Ausführungen CR 95, 125 und 155 mit einem maximalen Förderstrom bis 240 m3/h und einem Nenndruck von PN 40.

XL-Pumpen mit hoher Effizienz

Verglichen mit dem Marktstandard sind die neuen XL-Ausführungen um fünf bis zehn Prozentpunkte effizienter. Von großer Bedeutung für die Effizienz dieser Pumpen ist der hocheffiziente Antrieb, den alle Ausführungen besitzen, und außerdem die Möglichkeit, sie mit einer Drehzahlregelung per integriertem Frequenzumrichter (FU) auszurüsten: Sowohl beim klassischen MGE-Asynchronmotor bis 22 kW und mit der Energieeffizienzklasse IE3 als auch beim MGE-Permanentmagnet-Synchronmotor bis 11 kW mit der Energieeffizienzklasse IE5 ist der FU im Motor integriert. Für höhere Leistungen bietet Grundfos die CUE-Lösung mit einem externen FU im Schaltschrank – optional auch mit IE5-Motoren. Jede dieser Lösungen spart bei wechselndem Förderbedarf Energie und verlängert zudem die Lebenszeit der Pumpe. Den Möglichkeiten der Individualisierung (Customizing) sind bei den Pumpen kaum Grenzen gesetzt. Ein Beispiel dafür: Die Variante CR Maddrive arbeitet hermetisch dicht, ist also vollständig leckagefrei. Die Kraftübertragung vom Motor auf die Pumpe erfolgt mit Hilfe von starken Magneten; es sind keine Dichtungen erforderlich. Oder die Variante CR Air-cooled Top: Sie verfügt über eine luftgekühlte Wellendichtungskammer und fördert Wasser mit einer Temperatur bis 180 °C und Wärmeträgeröle bis 240 °C. Eine externe Kühlung ist dazu nicht erforderlich.

Für Anwendungen mit schlechten Zulaufbedingungen, wie die Kesselspeisung, sind CR-Pumpen mit besonders niedrigem NPSH-Wert verfügbar, was das Risiko von Kavitation senkt. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Kristallisationsgefahr des Mediums besteht, ist eine Doppelwellendichtung mit Spülkammer (Quench-Dichtung) empfehlenswert. Das modulare Design der neuen XL-Baureihen macht ein weitergehendes Customizing möglich. Konkret bedeutet dies, die Pumpen individuell auf Wunsch mit weniger Zubehör oder Komponenten auszurüsten; was der Kunde nicht benötigt, entfällt – das reduziert die Komplexität. Eine vertikale mehrstufige Hochdruckkreiselpumpe der CR-Baureihe ist aus diesen Gründen für viele Anwender die Pumpe der Wahl: Aufgrund der platzsparenden Inline-Bauweise mit gegenüberliegenden Saug- und Druckstutzen gleicher Nennweite lässt sie sich selbst in komplexen Anlagen gut integrieren. Die Pumpe bietet außerdem hohe Wirkungsgrade bis 80 Prozent und geringe Betriebs- und Lebenszykluskosten. Die Wellendichtung in Cartridge-Bauweise besteht aus hochverschleißfestem Material mit hoher Lebensdauer und reduzierten Stillstandszeiten. Alle Komponenten sind in einer Patroneneinheit zusammengefasst, im Falle des Falles ist die Dichtung in kurzer Zeit ohne Spezialwerkzeug ausgetauscht.

Die Einsatzgebiete liegen unter anderem in der Wasserversorgung und -aufbereitung, in Druckerhöhungsanlagen, Industrieproduktionsanlagen, Kesselspeisung und Kühlung. Insbesondere zur Druckerhöhung in Wasseraufbereitungsanlagen, in denen Membrantechnologie zum Einsatz kommt, ist die CR-Baureihe quasi zum Standard geworden. Ausgesuchte CR-Pumpen sind im Fast-Track-Programm verfügbar und damit innerhalb von 48 Stunden lieferbar.

Condition Monitor sichert die Verfügbarkeit

Anlagenverfügbarkeit, effiziente Planungs- und Instandhaltungsprozesse – dafür steht das Konzept des Condition Monitor CMU von Grundfos: ein Überwachungssystem auf der Basis eines Multifunktionssensors mit einem lokalen Display auf der Pumpe, SCADA-Integration zu Prozessleitsystemen und optionaler Cloud-Anbindung. In einem herkömmlichen System zur Zustandsüberwachung hat jeder Sensor seine eigene optimale Position.

Aber was wäre, wenn alles mit nur einem einzigen Sensor von einer festen Position an der Pumpe ausgemessen werden könnte? Eine Position, die bei allen CR-Pumpen von Grundfos vorhanden ist und daher für alle bereits auf dem Markt befindlichen CR-Pumpen nachrüstbar ist?

Unter diesen Prämissen wurde der Multifunktionssensor konzipiert. Ausgehend von einer zentralen, gut zugänglichen Position an der Ablassschraube des Motors überwacht der Sensor wichtige Leistungs- und Zustandsparameter:

  • Drehzahl: In einigen Anwendungen kann die Kenntnis der Pumpendrehzahl ein nützlicher Indikator für den Systemstatus sein. Der Multifunktionssensor verwendet Algorithmen zur Berechnung der Pumpendrehzahl auf der Basis von Schwingungsmessungen.

  • Temperatur: Die Temperatur des geförderten Mediums ist oft wichtig, um einen optimalen Betrieb zu erreichen. Der Sensor überwacht die Flüssigkeitstemperatur.

  • Trockenlauf: Läuft eine Pumpe trocken, können deren Lager und Gleitringdichtungen beschädigt werden, was zum Ausfall der Pumpe führt. Der Sensor erkennt Trockenlauf in jeder Flüssigkeit mittels Ultraschall.

  • Lagerfehler: Beschädigte Lager führen häufig zu Maschinenschäden und Produktionsstörungen. Der Sensor überwacht und analysiert Pumpenschwingungen und erkennt Fehler in jedem Lagertyp.

  • Unwucht: Die Unwucht-Schwingungen der Pumpe hängen mit der unsymmetrischen Massenverteilung im rotierenden Teil der Pumpe zusammen. Diese Vibrationen belasten Pumpe und Motorlager und reduzieren die Lebensdauer der Pumpe und des Motors. Der Sensor nutzt Schwingungsmessungen und Algorithmen zur Messung der Unwucht.

  • Wasserschläge: Wasserschläge durch schlecht ausgelegte Rohrleitungen können die mechanischen Teile der Pumpe überlasten. Die Ursachen von Wasserschlägen sind möglicherweise schwer zu finden, aber der Sensor erkennt Wasserschläge mit Hilfe von Schwingungsmessungen und Algorithmen.

  • Kavitation: Kavitation (kollabierende Dampfblasen in der Förderflüssigkeit) kann zu erheblichen Schäden am Laufrad oder Pumpengehäuse führen. Der Sensor überwacht Pumpenschwingungen mittels Spektralanalyse, erkennt Luft in der Flüssigkeit und sogar frühe Anzeichen von Kavitation, was mit herkömmlichen NPSH-Messverfahren nicht möglich ist.

KI hilft bei Predictive Analytics

Auf der Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) identifiziert der Multifunktionssensor mit einer intelligenten Mustererkennung frühzeitig fehlerhafte Bedingungen, die zum Ausfall der Pumpe führen können. Der Hauptunterschied zu anderen Systemen besteht darin, dass der Betreiber genau erfährt, was falsch ist: So warnt der Lagerstatus in gelber Farbe, wenn die Lager mechanische Beschädigungen aufweisen. Dies ermöglicht es dem Betreiber, die Wartung zu einem betriebstechnisch passenden Zeitpunkt einzuplanen. Bei Rot-Alarm muss der Betreiber die Lager schnellstmöglich wechseln, um einen Pumpenausfall zu vermeiden. Der Condition Monitor CMU ist für den Praktiker konzipiert, der für die Verfügbarkeit seiner Pumpen verantwortlich ist und sich nicht mit der Analyse von Daten beschäftigen will. Es ist dies eine Lösung, die umsetzbare Erkenntnisse liefert und nahtlos mit anderen Überwachungssystemen zusammenarbeiten kann.

Der Condition Monitor ist für alle CR-Pumpen verfügbar und kann auch nachgerüstet werden. Es gibt unterschiedliche Wege, um die Daten von Feldgeräten wie Pumpen zur zentralen Leitstation zu lenken. Die klassische Praxis, jedes Feldgerät einzeln mit einem zentralen Prozesscontroller zu verkabeln, funktioniert zwar, ist aber nicht sehr effizient. Dagegen macht die Verwendung einer Bus-Struktur eine Punkt-zu-Punkt-Verkabelung unnötig. Um seine Pumpen in ein Feldbussystem integrieren zu können, nutzt Grundfos bereits seit Jahren pumpenspezifische Feldbuskarten. Auch die Anbindung an das SCADA-System eines führenden Anbieters ist möglich. Mit einem SCADA-System verbessern Betreiber die Transparenz und Produktivität im Unternehmen. Siemens und Grundfos haben eine Lösung entwickelt, mit der die Datenübertragung zwischen Grundfos-Pumpen und einem Siemens-Prozessleitsystem durchgeführt werden kann.

Pumpen als kommunizierende Einzelobjekte

Das Dechema-Positionspapier „Digitalisierung in der Chemieindustrie“ geht auf die Bedeutung von Pumpen als kommunizierende Einzelobjekte mit eigenständiger Sensorik ein: So steht der aktuelle Betriebszustand der Pumpe und der prognostizierte Zeitpunkt und Umfang der nächsten Wartung abrufbar bereit. Bei drohendem Ausfall warnt das intelligente Equipment den Betreiber vorab, so dass ein durchgehender, störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann.

Mit der breiten Palette an Pumpen der Baureihe CR und dem Condition-Monitor-Konzept auf der Basis des Multifunktionssensors ist Grundfos im Hinblick auf die Anforderungen der Prozessindustrie bestens positioniert.

Bildergalerie

  • Größe zählt manchmal doch – die neuen XL-Ausführungen CR 95, CR 125 und CR 155 bieten einen maximalen Volumenstrom bis 240 m3/h.

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  • Die Variante CR Air-cooled Top mit luftgekühlter Wellendichtungskammer fördert Wasser mit einer Temperatur bis 180 °C und Wärmeträgeröle bis 240 °C ohne externe Kühlung.

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  • Auf der Basis von Künstlicher Intelligenz (KI) identifiziert der Multifunktions-Sensor mit einer intelligenten Mustererkennung frühzeitig fehlerhafte Bedingungen, die zum Ausfall der Pumpe führen können.

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  • Insbesondere zur Druckerhöhung in Wasseraufbereitungsanlagen (Membrantechnologie) eignet sich die Baureihe CR.

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  • Der Condition Monitor ist ein Überwachungssystem auf der Basis eines Hochleistungs-Multifunktions-Sensors mit einem Display auf der Pumpe, SCADA-Integration zum Prozessleitsystem und optional einer Cloud-Anbindung.

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