Akustische Ventildiagnose spart Energie

Der Autor: Heinz M. Nägel, Gesellschafter und Berater, Feluwa Pumpen

Während außerordentliche Wirkungsgrad- und Energieverluste bei Kreiselpumpen in der Regel auf Verschleiß des Laufrades zurückzuführen sind, sind im Bereich der Verdrängerpumpen meist undichte Förderventile mitverantwortlich. Derartige Verluste sind bislang kaum beachtet und häufig unterschätzt worden. Bei Membranpumpen waren Ausfälle oder Leckagen an den Förderventilen meist erst durch Überschreiten des zulässigen Betriebszustandes erkennbar, weil die gewünschte Fördermenge der Pumpe beispielsweise unter den Sollwerten lag.

Wirkungsgradverluste während der Schadensentstehung wurden in Kauf genommen. Die Ursache für den Mengenverlust musste dann erst mühsam herausgefunden werden. Bei mehrfach wirkenden Pumpen war es nicht selten erforderlich, alle Förderventile zu demontieren und zu überprüfen, um die tatsächliche Verlustquelle zu lokalisieren.

Im Zeitalter automatisierter Antriebs- und Regelsysteme werden Leistungsverluste infolge von Ventilverschleiß meist durch kontinuierliche Erhöhung der Geschwindigkeit kompensiert. Anhand von konkreten Berechnungen wird deutlich, dass auf diese Weise enorme Mengen an Energie und somit auch Geld vergeudet werden.

Energieeffizienz darf sich jedoch keinesfalls auf die elektrische Ausrüstung von Pumpen beschränken. Mithilfe von Rundum-Diagnosesystemen zur permanenten Überwachung aller wesentlichen Komponenten und Parameter kann ein erheblicher Beitrag zu weiteren Energieeinsparungen geleistet werden.

In Verbindung mit der Entwicklung einer Doppel-Schlauchmembranpumpe wurden zur Kontrolle der Förderventile spezielle Überwachungssysteme auf der Basis von Körperschallsensoren konzipiert. Doppelschlauchmembranpumpen stellen die neueste Generation der hydraulisch aktivierten Membranpumpen dar. Das Herz dieser Pumpe bilden zwei ineinander angeordnete Schlauchmembranen – obwohl die Pumpe nur eine benötigt, um voll funktionstüchtig zu sein. Die redundanten Schlauchmembranen umschließen das Fördermedium und gewährleisten eine geradlinige Durchströmung der Pumpe ohne Umlenkungen. Gleichzeitig stellen sie eine zweifache, hermetische Abtrennung gegenüber dem hydraulischen Antriebsende dar.

Außen am Ventilgehäuse werden Sensoren befestigt, die nicht mit dem Fördermedium in Berührung kommen. Sie sind in der Lage, Undichtigkeiten in den Förderventilen bereits zu einem Zeitpunkt zu erkennen, wenn der Mengenverlust noch unter 1,5 % liegt.

Bei einer beginnenden Leckage in den Förderventilen (Ventilsitz, Kugel oder Kegel) tritt ein typisches Schallspektrum auf, das aus den anderen Strömungs- und Maschinengeräuschen herausgefiltert und nachgewiesen werden kann. Diesen Effekt macht sich die akustische Leckageüberwachung zunutze. Kavitation entsteht, wenn aufgrund der Strömungsge-schwindigkeit an einer Drosselstelle der Dampfdruck des Prozessfluids lokal unterschritten wird. Dieser Zustand tritt bei einer Leckage an einem geschlossenen Ventil größenordnungsmäßig auf. Dies ist gleichzeitig eine Messgröße für die sich anbahnende Leckage im Ventil. Durch intelligente Filter im verwendeten Messsystem wird genau dieses Schallspektrum analysiert und im Auswertegerät in eine verwertbare Messgröße umgewandelt. Bei einer Vierlingspumpe mit acht Ventilen müssen beispielsweise nicht mehr alle Ventile demontiert werden, um das tatsächlich beschädigte zu bestimmen. Das sogenannte Valve-Performance-Monitoring-System gibt zuverlässig Auskunft darüber, welches der acht Ventile undicht ist und gegebenenfalls ausgetauscht werden muss. Es erkennt Leckagen zwischen Ventilsitz und Kugel oder Kegel und leitet die Information über einen potenzialfreien Kontakt weiter. Dem Betreiber bietet sich dadurch die Möglichkeit einer exakten Bestimmung der MTBR-Werte (meantime between repairs). Prädiktive Instandsetzung ersetzt an dieser Stelle Modelle präventiver oder schadensbedingter Wartungen und ermöglicht eine deutliche Reduzierung von Reparaturkosten und Stillstandszeiten.

Einen gleichrangigen Stellenwert nimmt dabei die Energieeffizienz ein. Die Erkennung von Ventilverschleiß im Frühstadium der Entwicklung verhindert längerfristige Kompensierungen von Verlustmengen durch automatische Geschwindigkeitserhöhung, das heißt eine Erhöhung der Hubzahl der Pumpe mittels Frequenzumformer. Entsprechende Studien belegen, dass durch Ventilverschleiß und den damit einhergehenden erhöhten Energieaufwand infolge Geschwindigkeitserhöhung zusätzliche Betriebskosten verursacht werden, die den Anschaffungswert um ein Vielfaches überschreiten, wenn der gesamte Lebenszyklus der Pumpe von 30 Jahren betrachtet wird.

Mit Blick auf die Zukunft ist weiterhin festzuhalten, dass die Industrie verstärkt auf drahtlosen Datenverkehr setzen und neue Perspektiven nutzen wird, die sich beispielsweise aus Rundum-Diagnosesystemen ergeben. Für Multisafe-Doppelschlauchmembranpumpen von Feluwa besteht die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine (Human Machine Interface) aus einem Touchpanel, das in den Schaltschrank eingebaut wird. Es ermöglicht die Überwachung und Steuerung aller wichtigen Parameter und Komponenten von Pumpe und Triebwerk und kann vollständig in Industrieleitsysteme integriert werden. Die Diagnose im Getriebebereich dient dabei nicht nur der Kontrolle von Vibrationen. Entscheidend ist, Verschleiß bereits im Vorfeld durch Onlineüberwachung der redundant angeordneten Schmiersysteme zu erkennen.