Das Pumpen in Kompressoren verstehen
Pumpen — oft einfach als Verdichterpumpen bezeichnet — ist eine heftige aerodynamische Instabilität in Radial- und Axialverdichtern, bei der die gesamte Strömung durch die Maschine periodisch ihre Richtung umkehrt. Die Folge sind oszillierende Druck- und Strömungswerte, meist mit Frequenzen von 0,5–10 Hz. In jedem Surge-Zyklus kommt der Durchfluss kurzzeitig zum Stillstand oder kehrt sich um, der Auslassdruck bricht ein, dann setzt der Vorwärtsfluss wieder ein und der Druck baut sich wieder auf, woraufhin sich der Zyklus wiederholt. Diese Umkehrungen belasten den Rotor mit enormen, schwankenden Kräften, was zu schweren Vibration — vor allem in der axial Richtung – ein lautes Dröhnen und die Fähigkeit, einen Kompressor innerhalb weniger Minuten zu zerstören, wenn er nicht sofort abgeschaltet wird.
Verdichterpumpen ist im Grunde genommen ein System Eine Instabilität, die den Verdichter zusammen mit den angeschlossenen Rohrleitungen und dem Behälter betrifft und nicht allein auf den Verdichter zurückzuführen ist. Sie tritt auf, wenn die Maschine bei geringem Durchfluss über ihre Druckanstiegsfähigkeit hinaus belastet wird; um dies zu verhindern, ist eine Anti-Surge-Regelung erforderlich, die den Durchfluss sicher über der Surge-Linie hält.
1. Der Verdichterpumpen-Mechanismus
Der Pumpzyklus
Ein typischer Surge-Zyklus verläuft in einer sich wiederholenden Abfolge:
- Durchflussreduzierung: Der Systembedarf sinkt, sodass der Durchfluss durch den Verdichter abnimmt.
- Stallbeginn: Bei sehr geringem Durchfluss kommt es zum Strömungsabriss an den Schaufeln, und die Strömung löst sich von den Schaufeloberflächen.
- Druckabfall: Der ins Pumpen geratene Verdichter kann seinen Auslassdruck nicht mehr aufrechterhalten.
- Rückstrom: In der Auslassleitung oder im Sammelraum eingeschlossenes Hochdruckgas strömt rückwärts durch den Verdichter.
- Druckausgleich: Der Auslassdruck sinkt, wenn Gas nach hinten entweicht.
- Der Vorwärtsfluss wird wieder aufgenommen: Sobald der Druck gesunken ist, kann der Verdichter wieder Gas vorwärts befördern.
- Druckanstieg: Durch den erneuten Vorwärtsstrom wird der Auslassdruck wiederhergestellt.
- Zyklus wiederholt sich: Der hohe Druck versetzt die Maschine erneut ins Pumpen, und der Kreislauf setzt sich fort.
Pumpfrequenz
- Wird durch das Systemvolumen (Rohrleitungen, Sammelkammern, Behälter) in Verbindung mit den Eigenschaften des Kompressors bestimmt.
- Größere Volumina führen zu einer geringeren Pumpfrequenz.
- Typischer Bereich: 0,5–10 Hz.
- Kleine Systeme: etwa 5–10 Hz.
- Große Systeme: etwa 0,5–2 Hz.
- Die Frequenz bleibt bei einem bestimmten System relativ konstant.
Diese niedrige, systemfeste Frequenz liegt gut innerhalb des Arbeitsbereichs eines tragbaren Analysators. Es ist anzumerken, dass die Balanset-1A misst Schwingungen ab 5 Hz, sodass die hochfrequenten Pumpzyklen kleiner Systeme in diesen Bereich fallen; entscheidend für die Diagnose ist jedoch weniger die genaue Frequenz als vielmehr das unverkennbare Muster einer plötzlichen, starken, instabilen und überwiegend axialen Niederfrequenzpulsation.
2. Bedingungen, die zum Pumpen führen
Betrieb jenseits der Pumpgrenze
Das Kennfeld jedes Kompressors enthält eine Pumpgrenze, die dessen stabilen Betriebsbereich definiert:
- Surge-Linie: die am weitesten links liegende stabile Betriebsgrenze im Kennfeld.
- Sicherer Betrieb: rechts von der Linie, bei höheren Durchflussmengen.
- Surge-Zone: links von der Linie – unsicheres und verbotenes Terrain.
- Abstand: Maschinen werden normalerweise mit einer Durchflussreserve von 10–20 % rechts von der Pumpgrenze betrieben.
Auslösende Ereignisse
- Nachfragereduzierung: Da der Prozess weniger verbraucht, sinkt der Durchfluss in Richtung der Pumpgrenze.
- Druckseitige Drosselung: ein Ventil, das sich schließt, oder eine Verstopfung im nachgelagerten Bereich.
- Drehzahlreduzierung: der Kompressor verlangsamt sich, ohne dass der erforderliche Durchfluss proportional abnimmt.
- Dichteänderungen: Veränderungen des Molekulargewichts des Gases oder der Temperatur, die die Kompressorkennlinie verschieben.
- Verschmutzung: Ablagerungen an den Schaufeln, die die Leistungsfähigkeit der Maschine mit der Zeit beeinträchtigen.
3. Auswirkungen und Folgen
Vibration
- Amplitude: kann 25–50 mm/s (1–2 Zoll/s) oder mehr erreichen.
- Axiale Komponente: besonders stark entlang der Wellenachse.
- Niedrige Frequenz: Pulsationen von 0,5–10 Hz.
- Bewegung der gesamten Maschine: Die gesamte Kompressoreinheit wackelt und rüttelt.
Mechanische Beschädigung
- Lagerausfall: Stoßbelastungen können Lager innerhalb weniger Stunden zerstören.
- Dichtungsbeschädigung: Axialbewegungen und Druckwechsel zerstören die Dichtungen.
- Welle beschädigt: Biege- und Torsionsspannungen aufgrund von Strömungsumkehrungen.
- Schaufelschaden: Wechselnde aerodynamische Belastungen führen dazu, dass Ermüdung und kann dazu führen, dass sich die Schaufel löst.
- Schäden an der Kupplung: Torsionsschocks beschädigen Kupplungen.
- Axiallager: Schnell wechselnder Axialschub kann das Axiallager — oft das erste Opfer eines Verdichterpumpens.
Auswirkungen auf den Prozess
- Druck- und Durchflussschwankungen breiten sich in den nachgeschalteten Prozess aus.
- Temperaturausschläge entstehen durch wiederholte Verdichtung und Entspannung.
- Es kann zu Betriebsstörungen oder Auslösungen der Sicherheitssysteme kommen.
- Die Produktqualität kann unter den instabilen Bedingungen leiden.
4. Erkennung
Schwingungssignatur
- Plötzliches Auftreten von niederfrequenten Pulsationen mit großer Amplitude
- Frequenz im Bereich von 0,5 bis 10 Hz.
- Schwer axiale Schwingung.
- Instabile, sich ständig ändernde Amplitude.
Dieses Kennzeichen ist unverkennbar auf einem Schwingungsspektrum und auf einem Zeitwellenform: ein plötzlicher Energieschub weit unterhalb Betriebsdrehzahl, das im axialen Kanal vorherrscht und zunimmt und abnimmt, anstatt konstant zu bleiben. Schwingungsüberwachung am Axialdrucklager des Verdichters gehört zu den schnellsten Methoden, um ein beginnendes Verdichterpumpen zu erkennen, da sich die axialen Schwingungen dort am stärksten bemerkbar machen.
Akustische Signatur
- Ein lautes Dröhnen oder Rauschen.
- Ein rhythmisches Pulsieren, das bei der Pumpfrequenz zu hören ist.
- Unverwechselbar und für jeden, der es einmal gehört hat, unverkennbar.
Prozesskennzahlen
- Schwankender Förderdruck.
- Ein oszillierender Durchfluss, der sich sogar umkehren kann.
- Temperaturschwankungen.
- Schwankungen im Motorstrom.
5. Vorbeugung: Pumpschutzregelung
Systemkomponenten
Rückführventil. Ein schnell reagierendes Ventil, das das Fördergas zurück zur Ansaugseite leitet. Es öffnet sich, um den Durchfluss zu erhöhen, wenn sich der Betriebspunkt der Pumpgrenze nähert, und ist bei Bedarf für den vollen Kompressordurchfluss ausgelegt.
Durchfluss- und Druckmessung. Durch die kontinuierliche Überwachung von Durchfluss und Druckanstieg wird der aktuelle Betriebspunkt auf dem Kompressorkennfeld dargestellt und jede Annäherung an die Pumpgrenze erkannt.
Regler. Die Steuerung berechnet den Abstand zur Pumpgrenze, öffnet das Rückführventil mit einer Sicherheitsreserve, sobald sich die Pumpgrenze nähert, und nutzt – in modernen Anlagen – adaptive Algorithmen. Die Reaktionszeit ist entscheidend; in der Regel muss innerhalb von weniger als einer Sekunde gehandelt werden.
Betriebsanweisungen
- Betreiben Sie den Kompressor niemals links von der Pumpgrenze.
- Halten Sie einen Durchflussabstand von 10–20 % zur Pumpgrenze ein.
- Nehmen Sie Laständerungen schrittweise vor und vermeiden Sie abrupte Lastabfälle.
- Überprüfen Sie vor jedem Start, ob das Pumpschutzsystem funktionsfähig ist.
- Prüfen Sie das Pumpschutzsystem regelmäßig.
6. Notfallmaßnahmen
Bei auftretendem Pumpen
- Sofortmaßnahmen: Öffnen Sie das Rücklaufventil manuell, falls das automatische System ausgefallen ist.
- Durchfluss erhöhen: den Abfluss öffnen, den Widerstand verringern oder parallele Einheiten in Betrieb nehmen.
- Druckanstieg verringern: Verlangsamen Sie den Kompressor, falls dieser über eine variable Drehzahl verfügt.
- Notabschaltung: Wenn der Pumpstoß nicht innerhalb von 10 bis 30 Sekunden gestoppt werden kann, schalten Sie die Maschine ab.
- Starten Sie nicht neu: bis die Ursache ermittelt und behoben wurde.
Inspektion nach dem Pumpstoß
- Auf Schäden an den Schaufeln prüfen.
- Überprüfen Sie den Zustand der Lager.
- Überprüfen Sie die Unversehrtheit der Dichtung.
- Überprüfen Sie das Axiallager.
- Ausführen Schwingungsanalyse bevor das Gerät wieder in Betrieb genommen wird – ein Referenzspektrum deckt etwaige neue Unwucht, Fehlausrichtung oder durch das Ereignis verursachte Lagerschäden.
7. Pumpstoß (Surge) im Vergleich zu anderen Instabilitäten
Pumpstoß (Surge) vs. Rotationsströmungsabriss
- Pumpen (Surge): eine systemweite Strömungsschwingung bei sehr niedriger Frequenz (0,5–10 Hz).
- Rotierendes Abreißen: lokalisierte Stauzellen, die sich mit einer höheren Frequenz – typischerweise dem 0,2- bis 0,8-fachen der Rotordrehzahl – um den Ring drehen, wodurch sie zu den subsynchron Phänomene.
- Schwere: Der Pumpstoß ist die zerstörerischere der beiden Erscheinungen; ein Rotationsströmungsabriss kann ein Vorbote für einen Pumpstoß sein.
Pumpstoß (Surge) vs. Rezirkulation
- Pumpen (Surge): eine kompressorspezifische, systemweite Durchflussumkehr.
- Rezirkulation: kann in Pumpen oder Kompressoren auftreten, ist eine lokal begrenzte Strömungsumkehr und in der Regel weniger schwerwiegend.
- Beziehung: Bei Kompressoren kann eine Rezirkulation zu einem vollständigen Pumpstoß führen.
Pumpen ist der gefährlichste Betriebszustand für Zentrifugal- und Axialkompressoren und kann Anlagen innerhalb von Minuten zerstören. Das Verständnis des Pump-Mechanismus, das Erkennen der Pumpgrenze, die Umsetzung einer wirksamen Anti-Pump-Regelung und die Einhaltung angemessener Betriebsreserven sind für den sicheren Kompressorbetrieb in der industriellen Gasverdichtung von entscheidender Bedeutung.
