Das Pumpen in Kompressoren verstehen

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Portabler Balancer & Schwingungsanalysator Balanset-1A

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Schwingungssensor

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Optischer Sensor (Laser-Tachometer)

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Balanset-4

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Magnetischer Ständer Größe-60-kgf

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Reflektierendes Band

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Dynamischer Balancer "Balanset-1A" OEM

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Definition: Was ist Surging?

Wogend (auch Kompressor-Pump genannt) ist eine heftige aerodynamische Instabilität in Radial- und Axialkompressoren, bei der der gesamte Durchfluss durch den Kompressor periodisch die Richtung ändert. Dadurch entstehen oszillierende Druck- und Strömungsverhältnisse mit Frequenzen typischerweise im Bereich von 0,5–10 Hz. Während eines Pumpzyklus stoppt oder kehrt der Durchfluss kurzzeitig um, der Druck fällt ab, dann setzt der Durchfluss wieder ein, der Druck steigt an und der Zyklus wiederholt sich. Dadurch entstehen enorme schwankende Kräfte auf den Rotor und verursachen schwere Vibration, lautes, dröhnendes Geräusch und kann einen Kompressor innerhalb von Minuten zerstören, wenn er nicht sofort gestoppt wird.

Ein Druckstoß ist grundsätzlich eine Systeminstabilität, die den Kompressor und seine Rohrleitungen/sein Volumen betrifft, nicht nur den Kompressor selbst. Er tritt auf, wenn versucht wird, den Kompressor bei niedrigen Durchflussraten über seine Druckanstiegskapazität hinaus zu betreiben. Zur Vermeidung sind Druckstoßkontrollsysteme erforderlich, die den Durchfluss oberhalb der Druckstoßgrenze halten.

Der Surge-Mechanismus

Beschreibung des Stoßzyklus

Ein typischer Stoßzyklus verläuft wie folgt:

1. Durchflussreduzierung: Die Systemnachfrage sinkt, der Durchfluss durch den Kompressor verringert sich
2. Beginn des Strömungsabrisses: Bei sehr geringem Durchfluss kommt es zum Strömungsabriss der Kompressorschaufeln.
3. Druckkollaps: Der blockierte Kompressor kann den Auslassdruck nicht aufrechterhalten
4. Strömungsumkehr: Hochdruckgas in der Auslassleitung/im Auslassraum strömt rückwärts durch den Kompressor
5. Druckausgleich: Der Auslassdruck sinkt, wenn das Gas zurückströmt
6. Vorwärtsfluss wird fortgesetzt: Sobald der Druck abfällt, kann der Kompressor wieder vorwärts fließen
7. Druck steigt: Vorwärtsfluss erhöht den Auslassdruck
8. Zykluswiederholungen: Hoher Druck führt erneut zum Stillstand und wiederholt den Zyklus

Stoßfrequenz

• Bestimmt durch das Systemvolumen (Rohrleitungen, Verteilerräume, Behälter) und die Kompressoreigenschaften
• Größere Volumina → geringere Stoßfrequenz
• Typischer Bereich: 0,5–10 Hz
• Kleine Systeme: 5–10 Hz
• Große Systeme: 0,5–2 Hz
• Frequenz relativ konstant für ein gegebenes System

Bedingungen, die zu einem Anstieg führen

Betrieb über der Überspannungsgrenze

Die Pumpgrenze auf der Kompressor-Leistungskarte:

• Druckstoßlinie: Ganz links liegende stabile Betriebsgrenze auf der Kompressorkarte
• Sicherer Betrieb: Rechts der Pumpgrenze (höhere Strömungen)
• Überspannungszone: Links der Pumpgrenze (instabil, verboten)
• Marge: Typischerweise wird 10-20% mit Durchflussgrenze rechts der Pumpgrenze betrieben

Auslösende Ereignisse

• Nachfragereduzierung: Der Prozessbedarf sinkt, der Durchfluss verringert sich
• Einleitungsbeschränkung: Ventilverschluss oder -blockade
• Geschwindigkeitsreduzierung: Verlangsamung des Kompressors ohne proportionale Durchflussreduzierung
• Dichteänderungen: Molekulargewichts- oder Temperaturänderungen beeinflussen die Kompressoreigenschaften
• Verschmutzung: Schaufelablagerungen verringern die Kompressorleistung

Auswirkungen und Folgen

Vibration

• Amplitude: Kann 25–50 mm/s (1–2 Zoll/s) oder mehr erreichen
• Axialkomponente: Besonders stark in axialer Richtung
• Niedrige Frequenz: 0,5–10 Hz Pulsationen
• Ganze Maschine: Die gesamte Kompressorbaugruppe wackelt und schüttelt

Mechanischer Schaden

• Lagerausfall: Stoßbelastungen zerstören Lager innerhalb von Stunden
• Siegelschaden: Axialbewegungen und Druckumkehrungen zerstören Dichtungen
• Wellenschaden: Biege- und Torsionsspannungen durch Strömungsumkehr
• Klingenschaden: Wechselnde aerodynamische Belastungen führen zu Ermüdung und möglicher Blattbefreiung
• Kupplungsschäden: Torsionsstöße können Kupplungen beschädigen
• Axiallager: Schnell wechselnder Schub kann das Drucklager zerstören

Prozessfolgen

• Druck- und Durchflussschwankungen beeinflussen nachgelagerte Prozesse
• Temperaturschwankungen durch Kompressions-/Expansionszyklen
• Mögliche Prozessstörungen oder Auslösungen des Sicherheitssystems
• Produktqualitätsprobleme aufgrund instabiler Bedingungen

Erkennung

Vibrationssignatur

• Plötzliches Auftreten von niederfrequenten Pulsationen mit großer Amplitude
• Frequenz im Bereich von 0,5–10 Hz
• Schwer axiale Schwingung
• Instabile, variierende Amplitude

Akustische Signatur

• Lautes dröhnendes oder rauschendes Geräusch
• Rhythmisches Pulsieren bei Stoßfrequenz hörbar
• Markant und unverwechselbar

Prozessindikatoren

• Oszillierender Auslassdruck
• Oszillierende Strömung (kann sich umkehren)
• Temperaturschwankungen
• Motorstromschwankungen

Prävention: Anti-Surge-Kontrolle

Komponenten des Anti-Surge-Systems

Recyclingventil

• Schnell wirkendes Ventil, das den Kompressorauslass zum Ansaugen umleitet
• Öffnet sich, um den Durchfluss zu erhöhen, wenn die Pumpgrenze erreicht wird
• Bei Bedarf für den vollen Kompressordurchfluss ausgelegt

Durchfluss- und Druckmessung

• Kontinuierliche Überwachung von Durchfluss und Druckanstieg
• Betriebspunkt auf Kompressorkarte eintragen
• Annäherung an die Pumpgrenze erkennen

Regler

• Berechnet den Abstand zur Pumpgrenze
• Öffnet das Rückführventil bei Annäherung an den Druckanstieg (mit Sicherheitsreserve)
• Moderne Systeme nutzen adaptive Algorithmen
• Antwortzeit kritisch (< 1 Sekunde typische Anforderung)

Betriebsverfahren

• Niemals links von der Pumpgrenze arbeiten
• Halten Sie den Durchflussspielraum von 10-20% gegenüber Druckspitzen aufrecht
• Allmähliche Laständerungen (Vermeidung von schnellen Nachfragerückgängen)
• Überprüfen Sie vor dem Start, ob das Überspannungsschutzsystem funktioniert
• Testen Sie den Überspannungsschutz regelmäßig

Notfallmaßnahmen

Wenn ein Spannungsstoß auftritt

1. Sofortmaßnahmen: Öffnen Sie das Recyclingventil manuell, wenn das automatische System ausgefallen ist
2. Durchfluss erhöhen: Entladung öffnen, Widerstand reduzieren, Paralleleinheiten starten
3. Druckanstieg reduzieren: Langsamer Kompressor bei variabler Geschwindigkeit
4. Notabschaltung: Wenn der Anstieg nicht innerhalb von 10-30 Sekunden gestoppt werden kann
5. Nicht neu starten: Bis die Ursache identifiziert und behoben ist

Inspektion nach Überspannung

• Auf Klingenschäden prüfen
• Lagerzustand prüfen
• Überprüfen Sie die Integrität der Dichtung
• Axiallager prüfen
• Führen Sie vor der Wiederinbetriebnahme eine Schwingungsanalyse durch

Überspannung vs. andere Instabilitäten

Surge vs. rotierender Stall

• Anstieg: Systemweite Durchflussoszillation, sehr niedrige Frequenz (0,5–10 Hz)
• Drehstand: Lokalisierte Stallzellen, die um den Ring rotieren, höhere Frequenz (0,2-0,8 × Rotorgeschwindigkeit)
• Schwere: Sturmflut ist zerstörerischer, Stillstand könnte Vorbote einer Sturmflut sein

Überspannung vs. Rückführung

• Anstieg: Kompressorspezifisch, Strömungsumkehr, Systeminstabilität
• Umluft: Kann in Pumpen oder Kompressoren auftreten, örtlich begrenzte Strömungsumkehr, weniger schwerwiegend
• Beziehung: Rückführung kann zu Druckspitzen in Kompressoren führen

Das Pumpen ist der gefährlichste Betriebszustand für Radial- und Axialkompressoren und kann die Anlage innerhalb von Minuten zerstören. Für einen sicheren Kompressorbetrieb in industriellen Gaskompressionsanwendungen sind das Verständnis des Pumpmechanismus, das Erkennen der Pumpgrenzen, die Implementierung einer effektiven Pumpschutzregelung und die Einhaltung angemessener Betriebsreserven von entscheidender Bedeutung.

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