Uptime megazine - Brüel & Kjaer Vibro
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uptime
m gazine
1•11 Hydro: Magnetfluss • A06 Modul • Neue Projekte • Fallstudie / Turbomaschinen-Diagnose
e
uptime
m gazine
e
Effektive Anforderungen an die
1•11
Zustandsüberwachung von Wasserkraft-
werken
H
# 1/06 Wellen/Lager, Turbinen und Hilfsma-
3 Technische Neuheiten – eute beträgt die Gesamtkapazität schinen. Weitere Informationen finden
Überwachung des magnetisch- aller Wasserkraftwerke weltweit etwa Sie in der entsprechenden Fallstudie
en Flusses in Wasserkraftgen- 780 Gigawatt. Dies entspricht circa und im technischen Artikel in dieser
eratoren 20 % des globalen Stromverbrauchs Uptime-Ausgabe.
7 Produktneuheiten – Zweck- oder annähernd 88 % des aus erneu-
optimierte Hydro-Monitoring- erbaren Energiequellen erzeugten In dieser Ausgabe stellen wir außer-
Hardware Stroms. Trotz der raschen Entwicklung dem das neue SM-610-A06 Hydro-
8 Neue Projekte – Hydro-Moni- im Bereich anderer erneuerbarer Ener- Monitoring-Modul für das VC-6000-
toring-Projekte im Südwesten gien, beispielsweise Windenergie, Datenerfassungssystem vor. Die Ein-
Chinas Biomasse und Solarenergie, ist die Ka- führung des SM-A06 vereinfacht die
9 Fallstudie – Früherkennung pazität von Wasserkraftwerken im Lauf Schwingungsüberwachung mittelgro-
eines Impeller-Risses in einem der Jahre sprunghaft angestiegen und ßer Generatoren bei Schutz- und Con-
Kompressor steigt noch weiter an. Bislang wurden dition-Monitoring-Anwendungen in
14 Neue Projekte – Hydro-Moni- nur etwa 25 % des Gesamtpotenzials Verbindung mit dem Compass 6000. In
toring-Projekte in der Türkei ausgeschöpft! Was bedeutet das für den meisten Fällen reicht ein einziges
15 Fallstudie – Das VC-1500 diesen leistungsstarken Bereich der Modul für die Überwachung der kom-
überwacht kleine Wasserkraft- Energiebranche in Bezug auf den Be- pletten Generatoreinheit aus!
generatoren in Norwegen trieb und die Wartung von Maschinen in
20 Veranstaltungen 2012 Wasserkraftanlagen? Es ist von zentra- Weitere Informationen über unsere
ler Bedeutung: Die Maschinenverfüg- Hydro-Monitoring-Verfahren, Anwen-
barkeit ist heute wichtiger denn je! dungen und Produkte finden Sie auf
unserer Webseite.
Diese Uptime-Ausgabe ist der Zu- Diese Uptime-Ausgabe enthält er-
standsüberwachung von Wasserkraft- gänzend zum Themenschwerpunkt
generatoren gewidmet. Produkte von Wasserkraft einen Sonderbeitrag zur
Uptime-Magazin ist ein Newsletter von
Brüel & Kjær Vibro werden seit über Diagnose von Turbomaschinen. Die
Brüel & Kjær Vibro, der Sie über die
neuesten Trends und Technologien in der 15 Jahren weltweit für die Zustands- Fallstudie belegt, wie Messdaten in
Anlagenüberwachung informiert. Der überwachung von Wasserturbinen greifbare Informationen umgesetzt
Schwerpunkt dieser Ausgabe liegt auf der
genutzt. Brüel & Kjær Vibro verfügt werden können, die nicht nur eine
Überwachung von Wasserkraftwerken.
über beträchtliche Erfahrung bei der bestmögliche Früherkennung von
Haben Sie Anmerkungen, Vorschläge oder Zustandsüberwachung von Maschinen- Maschinenfehlern, sondern auch eine
Fallbeispiele? Wenden Sie sich bitte an: vorausschauende Planung von War-
typen in beliebigen hydroelektrischen
The Editor, Uptime Megazine, Brüel &
Kjær Vibro, DK-2850 Naerum, Dänemark. Konfigurationen, von Maschinen mit tungsaktivitäten ermöglichen. Ich freue
Tel.: +45 7741 2500 einer Kapazität von unter 1 Megawatt mich, Ihnen diese Sonderausgabe von
Fax: +45 4580 2937 bis zu Maschinen mit 700 Megawatt. Uptime präsentieren zu können und
E-Mail: info@bkvibro.com
Wir haben Überwachungsstrategien wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen!
Copyright 2011. Alle Rechte vorbehalten.
Chefredakteur: Shohan Seneviratne entwickelt und umgesetzt – von ein-
Redaktion: Mike Hastings fachen Schutzsystemen bis hin zu Alfred Schübl
Design&Produktion: Gitte Blå Design
umfassenden Schutz-/Condition-Mo- Hydro key account manager
Titelfoto: Ermenek-Staudamm, Zustands-
überwachung mit dem VC-6000 Compact nitoring-Anwendungen mit fortschrittli-
monitor. chen Messverfahren für Generatoren,
2 uptime megazine • 01/11
technischer
Überwachung Wasserkraftgeneratoren nehmen daher
eine Sonderstellung unter den elektri-
Bauteile und weitere
Unregelmäßigkeiten.
fokus
des magneti- schen Maschinen ein, da Turbogene- Es gibt zahlreiche
schen Flusses ratoren in anderen Anlagen mit Dreh-
zahlen von 3000/3600 U/min arbeiten.
Sondermessverfahren
für die Früherkennung und
von Wasserkraft- Aufgrund der niedrigen Drehzahl der
Wasserkraftgeneratoren werden für
Diagnose dieser Probleme. Der
Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf
generatoren die Stromerzeugung mit Netzfrequenz einem dieser Messverfahren: der Mes-
mehrpolige Rotoren benötigt. Die sung des magnetischen Flusses.
Anzahl der benötigten Pole wirkt sich
auf die Rotordimensionierung aus: Die Ziel der Magnetfluss-
gigantischen Rotoren haben mitunter Überwachung
einen Durchmesser von über 12 Me- Das Verfahren zur Magnetfluss-
Das einzigartige Design von
tern. Die großen Generatoren haben Überwachung zielt vorrangig auf die
Wasserkraftgeneratoren erfordert einen relativ kleinen Luftspalt und Früherkennung von Wicklungsschlüs-
sind anfällig für geringfügige Defor- sen und Masseschluss-Störungen der
spezielle Methoden der Zustands-
mationen, die enorme Unwuchtkräfte Schenkelpolwicklungen des Rotors
überwachung. verursachen können. Die dadurch ent- ab. Ein Wicklungsschluss entsteht
stehenden Schwingungen können zu normalerweise, wenn die Isolierung
U m bei Wasserkraftwerken eine
maximale Energieausbeute aus
der Fallhöhe zu erzielen, müssen die
einem vorzeitigen Versagen der Lager
und anderer Komponenten führen.
der Wicklungen beschädigt ist oder
im Lauf der Zeit zerfällt. Bei einem
Wicklungsschluss an einem Rotorpol
eingesetzten Generatoren mit relativ Die Generatoren sind aufgrund ihrer muss die Maschine nicht unbedingt
niedrigen Drehzahlen von 50-300 U/min enormen Größe überdies anfällig umgehend für Reparaturen abgeschal-
betrieben werden. für Heißstellen (Hot Spots), gelöste tet werden, der Wicklungsschluss
01/11 • uptime megazine 3
Abbildung 1:
Vorbereitung des
Stators einer Ge-
neratoreinheit (vor
der Installation
des Magnetfluss-
Sensors)
beeinträchtigt aber die Leistung. Er 72-poligen Ma-
kann darüber hinaus Hot Spots ver- schine mit 20
ursachen und zu einem Anstieg des Wicklungen pro
Feldstroms führen. Er kann ferner Pol verringert sich
eine Unwucht zur Folge haben, die zu der gemessene
extremen Schwingungen und Überhit- magnetische
zung führt. Fluss zum Bei-
spiel nur um 5 %.
Die magnetische Flussdichte wird von
mehreren Faktoren beeinflusst: dem Sensor
Luftspalt zwischen dem Stator und den Das Magnetfluss-
Polen, der Temperatur der Wicklungen, Sensorsystem (z.B. das EQ 2430 Signalumformer/einer Stromquelle in
dem Erregerstrom und der Erreger- von Brüel & Kjær Vibro) verfügt über unmittelbarer Nähe verbunden. Der
spannung. Um eine genauere Über- einen langen dünnen Sensor, der Sensor misst bei jeder Umdrehung den
wachung der Alarmgrenzwerte zu er- auf die Stator-Innenwand geklebt ist. magnetischen Fluss der Polflächen
möglichen und eine Trendbetrachtung Der Sensor ist durch Signalleitun- des Rotors. Die einzelnen Polsignale,
zu erleichtern, sollte der Magnetfluss gen, die entweder durch die Stator- die im Signal des Umformers enthalten
im Hinblick auf diese Prozessparame- Ventilationskanäle oder zwischen den sind, werden mithilfe eines Drehzahl-/
ter korreliert werden. Die wichtigste Wicklungsenden verlaufen, mit einem Phasengebers identifiziert. Diese
Korrelation für die Messung des
magnetischen Flusses ist jedoch die
Luftspaltmessung. Hierdurch lässt sich
bestimmen, ob die Generatorunwucht
physikalischen Ursprungs (eine Ände-
rung des Luftspalts) oder elektrischen
Ursprungs (ein Wicklungsschluss an
einem Pol) ist.
Die Variationen in den Magnetfluss-
messungen können geringfügig sein,
daher sind für alle Pole präzise Mes-
sungen erforderlich. Bei einem einzi-
gen Wicklungsschluss an einer
Abbildung 2: Magnetfluss-Sensor
(links), Luftspaltsensor (rechts)
4 uptime megazine • 01/11
Hall-Effekt – theoretische
Grundlagen des Magnetfluss-
Sensors
Der Magnetfluss-Sensor misst die Dichte
des Magnetflusses anhand des Hall-
Effekts. Der Hall-Effekt wurde bereits 1879
von Dr. Edwin Hall entdeckt, aber erst in
den letzten 30 Jahren seit der Entwicklung
Abbildung 3: Der der Halbleiterelektronik genutzt.
Compass-6000- Stellen Sie sich einen dünnen, rechtecki-
Plot (oben) gen Leiter oder Halbleiter vor, durch den
enthält das Zeit- ein Strom fließt. Wenn kein Magnetfeld
signal, das für anliegt, kann am Leiter keine Spannung
Diagnosezwecke senkrecht zum Stromfluss einwirken, wie
in der Datenbank in Abbildung 5 dargestellt. Der Hall-Effekt
gespeichert entsteht, wenn ein Magnetfeld senkrecht
wird. durch einen stromdurchflossenen recht-
eckigen Leiter verläuft. Eine elektrische
Abbildung 4: Der Spannung baut sich über den Leiterquer-
für die einzelnen schnitt auf. Sie ist proportional zum Strom
Pole (Einzelwert) und zur Flussdichte des senkrecht zum
extrahierte Maxi- Leiter stehenden Magnetfeldes, siehe
malspitzenwert Abbildung 6.
wird für die Über-
technischer
wachung, die Ein vergleichbares Hall-
Trendbetrachtung Element wurde in den
und für Alarm- Magnetfluss-Sensor inte-
zwecke genutzt. griert. Geht man davon
aus, dass der Sensor-
fokus
Signale werden aufbereitet, mit den strom konstant ist, ist die
Alarmgrenzen des Compass-Überwa- Ausgangsspannung des
chungssystems verglichen und in der Sensors – d. h. die Hall-
Datenbank gespeichert. Spannung VH – direkt
proportional zur Stärke des
Der Magnetfluss-Sensor ähnelt einem Magnetfeldes jedes einzelnen
Luftspaltsensor (z.B. dem EQ 2431 umlaufenden Rotorpols.
von Brüel & Kjær Vibro). Beide werden
auf die gleiche Weise installiert, dies
ist jedoch die einzige Gemeinsamkeit.
Der Luftspaltsensor arbeitet nach ei-
nem kapazitiven Prinzip. Er misst den
Abstand zwischen der Statorwand und
der Polfläche des umlaufenden Rotors.
Der kapazitive Strom, der zwischen Abbildung 5: Es liegt kein Magnetfeld an.
der Sensorplatte und dem Rotorpol
gemessen wird, verhält sich proportio-
nal zum dielektrischen Wert zwischen
diesen Oberflächen. Der dielektrische
Wert ist wiederum proportional zum
physikalischen Abstand (d.h. zum Luft-
spalt). Ein Magnetfluss-Sensor misst
das Magnetfeld zwischen dem Stator
und den einzelnen Polflächen des
Rotors und arbeitet nach einem völlig Abbildung 6: Hall-Effekt, ein Magnetfeld liegt an.
01/11 • uptime megazine 5
Abbildung 7: anderen Prinzip – dem Hall-Effekt (die
Compass 6000 Theorie des Hall-Effekts ist in einem
Multi-Trend-Plot gesonderten Artikel auf Seite 5
mit dem zeit- beschrieben).
lichen Trend-
verlauf der Datenüberwachung und
Maximalspit- Diagnose
zenwerte der Das Magnetfluss-Signal wird bei der
einzelnen Pole. automatischen Zustandsüberwachung
Diese Werte zur Früherkennung eines potenziellen
werden auf Wicklungsschlusses verwendet. Für
Alarmgrenzwer- Diagnosezwecke wird es außerdem
te überwacht. als Plot ausgegeben, der beispiels-
weise zur Unterscheidung zwischen
Rotor-/Statordeformationen und einem
Wicklungsschluss dient.
Der magnetische Fluss der einzelnen
Pole ist im Zeitsignal einer einzelnen
Abbildung 8: Rotorumdrehung erkennbar, wie in
Compass-6000 Abbildung 3 dargestellt. Dieses Signal
mit den Magnet- enthält wertvolle Diagnosedaten, wird
fluss-Spitzenwer- aber nicht auf Alarmgrenzwerte über-
ten der einzelnen wacht. Hierfür muss es zuerst aufbe-
Pole, gemessen reitet werden, wie in Abbildung
für eine einzelne 4 dargestellt. Für jeden Pol wird
Umdrehung. ein einzelner Maximalspitzenwert
Magnetfluss-Messungen
lediglich 1 Sensor wird benötigt
Generator (Draufsicht)
Hall-Sensoren
Profilmes- 7HVOD
sungen. Magnetfluss
Drehzahl/Referenz
Tacho
Rotation
Stator
Fehlererkennung Rotorpole
n Wicklungsschlüsse können Hot
Spots, hohe Feldströme und Un-
wucht verursachen. Unwucht kann
zu extremen Schwingungen und
zu Überhitzung führen.
n Dies steht häufig in Wechselbezie-
hung zum Luftspalt und dem Er- Abbildung 9: Übersicht über die
regerstrom/der Erregerspannung. Magnetfluss-Überwachungsstrategie
6 uptime megazine • 01/11
extrahiert, auf Alarmgrenzwerte Zweckbestimmte Hydro-
überwacht und ein Trend-Zeitverlauf
erstellt (siehe Abbildung 7). Diese
Monitoring Hardware
Werte, die zu einem bestimmten Pol
gehören, können auf die Werte an-
derer Pole bzw. auf Prozesszustände
bezogen werden, zum Beispiel auf
die Wicklungstemperatur, den Erre- VIBROCONTROL 6000TM (VC-6000), und bietet ein breites Spektrum
gerstrom, die Erregerspannung und die Datenerfassungseinheit von konfigurierbarer Messungen. Die
die Luftspaltmessungen. Dieselben Brüel & Kjær Vibro (welche als Schutz- und Zustandsüberwachung
Spitzenwerte werden für eine einzelne rack-basiertes Schutzsystem oder sowie die Konfiguration der zugehö-
Rotorumdrehung in einer bestimmten in Verbindung mit dem Compass- rigen Alarm- und Gefahrenalarm-
Prozessklasse auch als Kreisplot oder 6000-System für die integrierte grenzwerte erfolgen über
als überlappende Daten vorheriger Zustandsüberwachung eingesetzt eine einzigartige Maschi-
neue
Umdrehungen ausgegeben (siehe werden kann) umfasst ein spezielles nenzustandsfunktion.
Abbildung 8). Hydro-Monitoring-Modul: das Dies gewährleistet
SM-610-A06. Dieses Modul ist eine präzise und
Mit Compass lässt sich die Magnet- auf die Überwachungsanforde- zuverlässige Früh-
fluss-Überwachung auf der Grundlage rungen der Wasserkraftindustrie erkennung von
spezifischer Maschinenzustände zugeschnitten. Ein einziges Modul Maschinenfehlern.
kategorisieren, wobei die vorstehend ermöglicht die Schwingungsüber-
genannten Prozessparameter oder die
Lade- bzw. Betriebsmodi der Genera-
wachung einer kompletten hydro-
elektrischen Maschine! Es wurde
produkte
toreinheit (Pumpen, Stromerzeugung, als flexible, anwenderdefinierte
Kompensieren usw.) zugrunde gelegt Plattform für Wasserkraftanlagen
werden können. Dies ermöglicht eine aller Art konzipiert
eindeutigere Trendbetrachtung, eine
frühzeitigere und zuverlässigere au-
tomatische Erkennung von Störungen
sowie einen einfacheren Plotvergleich
für Diagnosezwecke.
Fazit
Die Überwachung des magnetischen
Flusses ermöglicht eine präzise Erken-
nung von Wicklungsschlüssen an Ro-
torpolen. Wicklungsschlüsse können
die Generatorleistung beeinträchtigen,
wenn sie nicht behoben werden.
Brüel & Kjær Vibro nutzt die Magnet-
fluss-Messung ergänzend zur inte-
grierten Zustandsüberwachungsstrate-
Eigenschaften n Maschinenzustände – 6 konfigu-
gie für Wasserturbinen. Die Messung
n Eingänge – Bis zu 11 Schwin- rierbare Maschinenzustände (bis
des magnetischen Flusses eignet sich
gungseingänge, bis zu 2 Eingän- zu 8 für Schutzanwendungen)
infolge der Abhängigkeit von den Pro-
ge für die Messung des Axial- n Hot-Swap-Modul – Der Wechsel
zesszuständen nicht als eigenständige
stands, 3 Binäreingänge und bis des Moduls im laufenden Betrieb
Überwachungsmethode und sollte
zu 2 Drehzahleingänge (für die des Systems ist möglich
auch mit den Prozesszuständen und
Bestimmung des Maschinenzu-
den Luftspaltmessungen korreliert
stands) sowie 1 Master-Trigger- Weitere Informationen erhalten Sie
werden.
eingangssignal (für andere bei Ihrem Brüel & Kjær Vibro-Ver-
Module) triebspartner.
n Ausgänge – Bis zu 8 DC-Aus-
gänge und 2 Relais (mit konfigu-
rierbarer Relaislogik)
01/11 • uptime megazine 7
Abbildung 1: Xiaowan-Wasser-
kraftwerk (6 x 700 MW)
Überwachungsstrategie
Die Schutzüberwachung aller
17 Wasserkraftgeneratoren
erfolgt über eine VC-6000-
Datenerfassungseinheit von
Brüel & Kjær Vibro – mit Ausnah-
me des Kraftwerks in Ruilijiang,
dort wird ein VC-4000-System
verwendet. Und auch das neue
SM-610-A06-Hydro-Modul kommt
bei dem Projekt in Xiaowan zum
neue
Einsatz!
Wasserkraft- Ein- MW/
projekte
Zustandsüberwachung werk heiten Einheit
von Wasserkraftwerken Ruilijiang 6 100
im Südwesten Chinas Jinhong 5 350
Xiaowan 6 700
B rüel & Kjær Vibro hat eine Aus-
schreibung für die Installation
von Zustandsüberwachungssystemen
kraftkapazität erhöhte sich im Jahr
2010 mit der Inbetriebnahme der
letzten Generatoren in Xiaowan
Eine enorme
Kapazitätssteigerung
Diese Wasserkraftprojekte sind nur
in drei großen Wasserkraftwerken in beträchtlich und China verfügt heu-
einige der vorgesehenen Projekte.
der chinesischen Provinz Yunnan te über die größte Kapazität welt-
China plant, seine Wasserkraftkapa-
gewonnen. Es handelt sich um das weit.
zität bis zum Jahr 2015 von derzeit
Wasserkraftwerk Ruilijiang am Fluss
200 Gigawatt auf 300 Gigawatt zu
Ruili und die Xiaowan- und Jinhong- n Jinghong Hydropower Station
erhöhen. Man will auf diese Weise
Wasserkraftwerke am Lancang-Fluss (景洪水电站) – Das flussabwärts
die Kohlendioxidemissionen reduzie-
(Mekong). Die beiden Letzteren gehö- von Xiaowan gelegene Wasser-
ren. Um das Wirtschaftswachstum zu
ren zu einer Kaskade von acht Was- kraftwerk ist das vierte Kraftwerk
stärken, hatte China jahrelang auf
serkraftwerken am Lancang, die eine der riesigen, am Lancang gelege-
Kohle gesetzt. Etwa 83 % des Strom-
Gesamtkapazität von 16 Gigawatt nen Kraftwerkskaskade. Jinghong
bedarfs werden von Kohlekraftwer-
haben. hat eine 108 m hohe Talsperre und
ken abgedeckt – dies ändert sich
eine Kapazität von 1750 Megawatt.
zurzeit jedoch schnell. China plant,
Besonderheiten der Der Bau begann im Jahr 2003; das
seine Kohlendioxidemissionen bis
Wasserkraftwerke Kraftwerk wurde im Jahr 2008 fer-
zum Jahr 2020 pro Einheit des Brut-
n Xiaowan Hydropower Station tiggestellt. Ein Teil des erzeugten
toinlandsprodukts um 40 % auf ins-
(小湾水电站) - Das Wasserkraft- Stroms soll außerdem im Rahmen
gesamt 45 % zu senken. Das Land
werk in Xiaowan hat sechs Wasser- eines Abkommens an Thailand
möchte darüber hinaus bis zum Jahr
turbinen mit einer Kapazität von je verkauft werden.
2020 15 % seines Energiebedarfs –
700 Megawatt. Die Xiaowan-Tal-
im Vergleich zu derzeit 7,8 % – aus
sperre hat zudem die höchste Bo- n Ruilijiang Hydropower Station
nicht-fossilen Brennstoffen erzeugen.
genstaumauer der Welt (300 m). (瑞丽江水电站) – Das Kraftwerk am
Brüel & Kjær Vibro ist stolz darauf,
Sie ist nach der Drei-Schluchten- Fluss Ruili im Kreis Dehong liegt an
einen Beitrag zu diesem ambitionier-
Talsperre das zweitgrößte Wasser- der Grenze zu Myanmar. Es hat
ten Erweiterungsprojekt für erneuer-
kraftwerk Chinas. Das Kraftwerk in eine Kapazität von 600 Megawatt.
bare Energien zu leisten.
Xiaowan nimmt noch eine weitere
Sonderstellung ein: Die Wasser-
8 uptime megazine • 01/11
Früherkennung eines Impeller-Risses
in einem Radialkompressor
fall
studie
Turbomaschinen arbeiten im Ge-
gensatz zu Wasserkraftgenerato- Leistungsberechnungen
ren mit hohen Drehzahlen. Fehler- Kompressor
hafte Betriebszustände bei Getriebe
Turbomaschinen haben daher ein
Abbildung 1:
eigenes, maschinenspezifisches
Motor Kompressor-
Erscheinungsbild. Glücklicherwei-
Train (oben) und
se lassen sich die meisten Fehler
Schwingungs-
mithilfe eines fortschrittlichen
messpunkte
Condition-Monitoring-Systems,
der inneren und
wie dem Compass 6000, frühzeitig Importierte Daten Kompressor
äußeren Lager
erkennen. Bestimmte Turboma-
(unten)
schinenfehler erfordern zur Früh-
erkennung und Diagnose jedoch
diagnostisches Fachwissen. Ein 0.8362 bar(q) 8.533 mbar(q)
solcher Fall ist in der folgenden 2.073 bar(q) 0.8647 bar(q)
4.564 bar(a) 2.029 bar(q) 20.77 Grad C 6.404 Grad C
Fallstudie beschrieben. Die Fall- 74.06 Grad C 85.27 Grad C 20.14 Grad C 74.92 Grad C 74.34 Grad C 62.38 Grad C
studie belegt, dass fortschrittliche
Diagnosehilfsmittel, zum Beispiel 62.66 62.38
57.43 11.40
das automatische Maschinendia-
gnoseprogramm ADVISOR, gute
Dienste leisten können – sie kön- Stufe 4 Stufe 3 Stufe 2 Stufe 1
nen den Experten aber keinesfalls
ersetzen. Brüel & Kjær Vibro stellt
Unternehmen, die keine eigenen
Zustandsüberwachungsexperten
beschäftigen oder deren Diagno- Sensormesspunkt am inneren (links) und äußeren
sepersonal ausgelastet ist, fach- Lager (rechts) zur Messung der X-Y Schwingungen
männische Diagnosedienste be-
reit.
Zusammenfassung Kompressorgehäuse zerstört werden
In einem 25-MW-Radialkompressor können. Nachträgliche Untersuchun-
wurden die Condition-Monitoring- gen belegten, dass der Wellenriss mit
D iese Fallstudie basiert auf einem
Vortrag, der von Erik van Deur-
sen von Hoek Loos/Linde Gas Bene-
Grenzwerte für Rotorschwingungen
und Phasen überschritten. Obwohl die
Schwingstärke noch 60 % unterhalb
ADVISOR – dem auf der Compass-
Plattform laufenden automatischen
Maschinendiagnoseprogramm – sogar
lux (Niederlande), Gert Hoefakker von der Alarmgrenzen des Schutzsystems noch frühzeitiger hätte erkannt werden
Brüel & Kjær Vibro (Niederlande) so- lag, beschloss der verantwortliche können.
wie von Peter Surland und Mike Ha- Maschineningenieur, die Maschine zur
stings von Brüel & Kjær Vibro (Däne- Inspektion herunterzufahren. Es stellte Einführung
mark) verfasst wurde. Er wurde auf sich heraus, dass der Impeller einen Der vierstufige 25-MW-Radialkom-
der „International Conference on Com- 25 cm langen Riss aufwies. Wäre die pressor wird in einer Luftzerlegean-
pressors and their Systems“ gehalten. Maschine nicht vom Compass Con- lage betrieben. Der fünf Jahre alte
Diese Veranstaltung wurde von der dition-Monitoring-System überwacht Kompressor ist eine prozesswichtige
Institution of Mechanical Engineers worden, hätte das Schutzsystem Maschine, für die keine Ersatzmaschi-
(ImechE) organisiert und fand vom diesen Riss womöglich bis zum Ausfall ne bereitsteht. Der Maschinenzustand
10.-12. September 2007 in London der Maschine nicht entdeckt. Dadurch wird seit der Inbetriebnahme über-
statt. hätten sowohl der Rotor als auch das wacht.
01/11 • uptime megazine 9
Herunterfahren
Alarm Abbildung 2:
Darstellung der
1x Phase Schwingungen
1. Ordnung in
1x Schwingung radialer Richtung
des inneren La-
Gefahrenalarm gers: Die Alarm-
grenzen wurden
bei Betriebs-
1x Schwingung drehzahl sowohl
für Amplitude als
1x Phase auch für Phase
überschritten.
Überwachungsstrategie Abbildung 3:
In der Luftzerlegeanlage werden drei Die Alarmgren-
Maschinen von einem kombinierten zen wurden bei
Compass Condition-Monitoring-/ Alarmgrenzen Betriebsdrehzahl
Diagnosesystem und -Schutzsystem 1x überschritten um das konstan-
überwacht. Der Condition-Monitoring- te prozentuale
Teil des Systems wird im Rahmen Bandbreiten-
einer vorausschauenden Instandhal- spektrum
tungsstrategie zur Früherkennung (CPB6 %)
von Fehlern verwendet. Sowohl die Konstantes überschritten.
Schwingungs- als auch die Prozess- prozentuales
Bandbreiten-
parameter (die größtenteils von einem
spektrum (6%)
Prozessleitsystem importiert werden)
werden automatisch in regelmäßigen
Abständen überwacht.
Brüel & Kjær Vibro stellt dem Kunden
für die Fehleranalyse zusätzlich bei Fehlererkennung abrupte 1x-Phasenverschiebung von
Bedarf Ferndiagnose oder Diagnose- Im Januar 2004 gab das System 65 ° des seit über einem Jahr konstan-
dienste vor Ort bereit. unvermittelt mehrere Condition-Mo- ten Normalwerts zurückzuführen (die
nitoring-Alarmmeldungen aus, haupt- Alarmgrenze beträgt 85 °). Zum Ande-
Das am Kompressor installierte sächlich an den X-Y-Wegsensoren ren hatte sich der 1x-Amplitudenwert
Compass-System umfasst X-Y-Weg- der inneren Lager des Kompressor- allmählich innerhalb eines Zeitraums
sensoren für die inneren und äußeren Rotors: von ungefähr drei Jahren von knapp
Lager, wie in Abbildung 1 dargestellt. n Der Wert für CPB6 % überschritt 30 μm auf über 50 μm erhöht (siehe
die Alarmgrenzwerte bei einer Abbildung 2).
An jedem Sensorpunkt werden folgen- Betriebsfrequenz von 61,30 Hz um Der Ingenieur war zuerst davon
de Messungen vorgenommen: 54,38 μm. ausgegangen, dass das Problem auf
n DC-Messungen n Der 1x-Amplitudenwert überschritt eine durch Ablagerungen entstandene
n Bandpass-Messungen (10-1000 Hz, die Alarmgrenzen von 60 μm mechanische Unwucht zurückzuführen
RMS Spitze-Spitze) (25 μm ist der normale Wert). sei, daher wurde eine Kamera-Inspek-
n 1x-, 2x-Vektormessungen (RMS n Der 1x-Phase überschritt die tion in Auftrag gegeben.
Spitze-Spitze, Amplitude und Pha- Gefahrenalarmgrenzen von 90 °.
se), 0,5 x Amplitude (RMS Spitze- Maschineninspektion und
Spitze) Die Alarm- und Gefahrenalarmgrenzen Reparatur
n Konstante prozentuale Bandbreite lagen weit unterhalb des 130 μm- Aus- Während der Inspektion wurde man
6 % (10,3 Hz bis 1030 Hz, RMS lösewerts für die Gesamtschwingstär- zuerst bei der Kühlwasserleitung
Spitze-Spitze), konstante prozentu- ke (die Phase wurde nicht auf fündig und stellte fest, dass Teile der
ale Bandbreite 23 % (2 Hz bis Auslösewerte überwacht), ließen aber Leitung fehlten. Beim Öffnen des Kom-
1000 Hz, RMS) den Maschineningenieur aufmerksam pressors gab es im Gegensatz zu der
werden. Dies war zum Einen auf eine ursprünglichen Annahme keinerlei
10 uptime megazine • 01/11Abbildung 4: Die Nachträgliche Fehleranalyse
Schwingungs- und Diagnose
amplitude der Abrupter Bei den nachträglich analysierten
1. Ordnung stieg Anstieg Daten deutet die 1x-Amplituden- und
von 2001 bis 2004 Stufenweiser Phasenänderung auf einen Wellenriss
allmählich an.
Anstieg bzw. einen Rotorriss hin1 (Abbildung 2).
Im Januar 2004 1x Schwingung Interessanterweise war die Schwin-
kam es zu einem gung am inneren Lager (Stufe 4) stär-
abrupten Anstieg. 1. Abrupter 2. Abrupter ker als am äußeren Lager (Stufe 1),
Die Phase der Anstieg Anstieg wo der Impeller-Riss ursprünglich auf-
Schwingung trat (siehe Abbildungen 1 und 2). Der
1. Ordnung stieg Kompressorhersteller bestätigte, dass
nach dem ersten Herunterfahren solche Risse bei diesem Maschinen-
Herunterfahren 1x Phase typ auftreten. Die Auswirkungen des
im Juni 2002 und Masseausgleichs zwischen der ersten
dann erneut im und der vierten Stufe können einen
Januar 2004 Einfluss darauf haben, wo die sich die
abrupt an. 1x-Schwingung der ersten Stufe zuerst
2. große Phasenänderung herausbildet.
(Gefahrenalarm -
Herunterfahren) Dank des Compass-Systems konnte
1. große Phasen- ein katastrophales Maschinenversa-
änderung
gen verhindert werden, die Vorlaufzeit
für die Planung kosteneffizienter
Wartungstätigkeiten war jedoch sehr
knapp. Die anfängliche Diagnose, bei
der von Ablagerungen als Unwucht-
Vektormessung (1x) ursache ausgegangen worden war,
Normalphase
traf zudem nicht zu. Der Kompressor
musste schnell heruntergefahren
werden, was zu unvorhergesehenen
Standzeiten führte. Hätte der Fehler
automatisch erkannt werden können?
Impeller-Riss Vielleicht sogar früher? Hätte er kor-
rekt und automatisch als Impeller-Riss
diagnostiziert werden können?
Aus Abbildung 5 geht hervor, dass es
bereits im September 2002 Anzeichen
für eine beginnende Phasenänderung
gab. Im Juni desselben Jahres wurde
1 Es gibt umfassende Literatur zur Früh-
erkennung von Rotorrissen mithilfe von
Schwingungsanalysen. Es werden außer-
Hinweise auf Ablagerungen, aber am System überwacht worden, hätte dem eine Reihe verschiedener Schwin-
Fuß des Impellers der ersten Stufe die Schutzfunktion des Systems ein gungsanalysemethoden genutzt. Die
wurde ein großer Riss festgestellt. katastrophales Maschinenversagen Dokumentationen [1-6] im Literaturver-
Der beschädigte Impeller hätte womöglich nicht rechtzeitig verhindern zeichnis bieten einen Überblick über diese
zwar repariert werden können, die können. Bei einem solchen Versagen Methoden; die Dokumentation [7] enthält
Installation eines neuen Impellers hätten sowohl der Rotor als auch das eine Beschreibung einer Methode zur
war aber aufgrund der erforderlichen Gehäuse zerstört werden können, was Früherkennung von Rissen anhand von
zwölfwöchigen Standzeit der Maschi- eine Standzeit von zwölf Monaten zur 1x-Amplituden- und Phasenmessungen
ne weniger zeitaufwändig. Wäre der Folge gehabt hätte. für die Erkennung von Rissen in Schau-
Kompressor nicht vom Compass- feln und Rotorblättern von Gasturbinen.
01/11 • uptime megazine 11die Maschine heruntergefahren, aber
Die Diagnosewahrscheinlichkeit
für den Kompressor war zu diesem
von 80 % weist auf eine
Zeitpunkt keine Inspektion erfolgt. Es
Wellenveränderung hin.
ist daher fraglich, ob sich das Problem
allein durch das Herunterfahren der
Maschine verschlimmert hatte. Es gab
sogar noch früher — im September
2001 — Hinweise auf einen allmäh-
lichen Anstieg der Schwingstärke.
Es ist allerdings unwahrscheinlich,
dass diese ersten Anzeichen entdeckt
worden wären, da sie unterhalb der
Alarmgrenzen lagen. Der Phasenan-
stieg begann im Oktober 2002, der
Wert pendelte sich aber schnell wieder
ein und blieb während der nächsten
Abbildung 5: ADVISOR zeigt die Diagnosewahrschein-
eineinhalb Jahre unverändert. Die
lichkeit nach einem Datenbankscan an. Nach dem
Werte gaben demzufolge kaum Anlass
21. November 2002 wurde eine Veränderung der Rotorei-
zur Sorge. Die allmählich ansteigende
genschaften (d.h. eine Änderung der rotordynamischen
Schwingstärke lag selbst bis zum al-
Daten, zum Beispiel eine Änderung der Steifigkeit, die bei
lerletzten Moment noch unterhalb der
einem Rotorriss auftreten kann) mit 80 %iger Wahrschein-
Alarmgrenze. Als sowohl die Amplitude
lichkeit diagnostiziert. Weitere Maschinenfehler sind unter-
als auch die Phase abrupt anstiegen,
halb der Wellenänderung aufgelistet.
musste die Maschine manuell herun-
terfahren werden.
Das eigentliche Problem bestand
darin, dass die frühen Anzeichen
des auftretenden Fehlers unerkannt
geblieben waren. Abbildung 6:
ADVISOR stellt
Das automatische Maschinendiag- eine ausführliche
noseprogramm ADVISOR von Beschreibung
Brüel & Kjær Vibro kann als Erweite- der Diagnosere-
rung des Compass-Systems instal- geln und Sym-
liert werden. ADVISOR war in dem ptome bereit.
Zeitraum, in dem der Impeller-Riss
entstand, nicht installiert. Der Kunde
bat Brüel & Kjær Vibro, die Kom- tudenmuster charakteristischer Ma- ADVISOR analysiert die komplette Da-
pressor-Datenbank rückwirkend mit schinenfrequenzen im Schwingungs- tenbank in regelmäßigen Abständen
dem ADVISOR-Diagnoseprogramm zu spektrum, die in Wechselbeziehung zu – zum Beispiel stündlich – oder wenn
analysieren. Der Maschineningenieur potenziellen Fehlerursachen stehen. die Analyse durch ein bestimmtes Er-
wollte herausfinden, ob mithilfe dieser Erkennt das Programm ein Maschi- eignis ausgelöst wird. Folgende Analy-
automatischen Diagnosemethode eine nenverhalten, das nicht dem „Stan- seergebnisse werden ausgegeben:
frühzeitigere Erkennung des Fehlers dardverhalten“ entspricht, definiert und n Eine Liste der Berechnungswahr-
möglich gewesen wäre. klassifiziert es dieses automatisch als scheinlichkeit für die Diagnose
Maschinenfehler. Das bedeutet, dass potenzieller Fehler
Ein automatisches für die automatische Fehlerdiagnose n Diagnosebeschreibungen poten-
Maschinendiagnosesystem nur einige anfängliche Daten benötigt zieller Fehler (Regeln, Symptome)
Das automatische Maschinendia- werden, wenn davon ausgegangen n Plots der Diagnosewahrscheinlich-
gnoseprogramm ADVISOR basiert werden kann, dass die Maschine in keit mit Trend-Zeitverlauf
auf dem Prinzip neuraler Netze und gutem Zustand ist. Für die Fehlerdia-
läuft auf der Compass-Plattform. Das gnose müssen keine Alarmgrenzen Fazit
Programm klassifiziert die erfassten konfiguriert werden. Schutzsysteme allein sind nicht immer
Messdaten und identifiziert die Ampli- eine effektive Methode zur Verhütung
12 uptime megazine • 01/11Abbildung 7: Dieser Plot zeigt die von ADVISOR für
Sichtbarer Anstieg den Wellenriss berechnete Diagnosewahrschein-
November 2000 lichkeit. Am 21. November 2002 betrug die Diagno-
sewahrscheinlichkeit bereits 80 % (die höchste Dia-
Erster abrupter Anstieg gnosestufe des Systems). Obwohl sie zuvor relativ
November 2002 gering war, hatte sich die Wahrscheinlichkeit des
Diagnosetrends während des gesamten Zeitraums
erhöht.
für Maschinenfehler fungieren. Das
Programm kann des Weiteren für die
Feinabstimmung der Diagnoseregeln
und -Symptome sowie für die Verifi-
zierung von Diagnosen Dritter genutzt
werden.
Literaturverzeichnis
1. Sabnavis, G., Kirk, R.G., Kasarda,
Zunehmende Sicherheit
M., Quinn, D., ”Cracked Shaft
des Diagnosetrends
Detection and Diagnostics: A Li-
terature Review”, The Shock and
von Maschinenfehlern wie beispiels- Ein automatisches System für die Vibration Digest, Vol. 36, No. 4,
weise Schaufel- oder Rotorrisse. Die fachmännische Diagnose wie bei- S. 287-296 ff., 2004
äußerst geringfügigen Energieverän- spielsweise ADVISOR ist eine optima- 2. Green, I., Casey, C. “Crack Detec-
derungen, die durch im Lauf der Zeit le Lösung, weil das System während tion in a Rotor Dynamic System by
entstehende Risse hervorgerufen der Diagnose nicht nur Einzelmes- Vibration Monitoring – Part I: Ana-
werden, sind im allgemeinen Schwin- sungen, sondern eine Reihe von lysis”, Paper GT2003-38659 pre-
gungsniveau nur schwer erkennbar. Messungen gleichzeitig auf potenzielle sented at ASME Turbo Expo 2003,
Hat der Riss erst ein kritisches Stadi- Anzeichen fehlerhafter Betriebszu- June 16–19, 2003, Atlanta, Georgia,
um erreicht, kann der Rotor zerstört stände überwacht. Wie bereits in der USA
werden, bevor ein Schutzsystem vorstehenden Fallstudie beschrieben, 3. Imam, I. et al, ”Development of
anspricht. kann die gesamte Datenbank des an On-line Rotor Crack Detection
Zustandsüberwachungssystems je- and Monitoring System”, Journal
Rotorrisse lassen sich bei der Ver- derzeit mit dem ADVISOR-Programm of Vibration, Acoustics, Stress and
wendung transienter oder stationärer analysiert werden. Wenn sich die Reliability in Design, Vol. 111, 1989
Schwingungsanalysemethoden mit Anzeichen auf einen Maschinenfehler 4. Grabowski B, The Vibrational Beha-
größerer Wahrscheinlichkeit in einem im Laufe der Zeit verstärken und die viour of a Turbine Rotor Containing
frühen Entwicklungsstadium erkennen. in den Diagnoseregeln festgelegten a Transverse Crack, Journal of
Zu diesen Methoden zählen beispiels- Kriterien erfüllen, steigt auch die Mechanical Design, Trans. ASME,
weise 1x- und 2x-Vektormessungen. Diagnosesicherheit. Die berechnete Vol 102, 1980
Die Änderungen können jedoch Diagnosewahrscheinlichkeit kann 5. Wauer J, “On the Dynamics of
sehr subtil sein und unterhalb der dann in Plots und Trends dargestellt Cracked Rotors”: A literature
definierten Alarmgrenzen liegen, aus und zur frühzeitigen Warnung vor Ma- Survey, ASME Book No AMR067,
diesem Grund ist eine zeitliche Trend- schinenfehlern eingesetzt werden. Mit Applied Mechanics Reviews,
betrachtung der Werte entscheidend. ADVISOR erzeugte Diagnosen können Vol 43, No 1, 1990
Für Diagnoseexperten kann es sehr außerdem automatisch in Dateiform 6. Sekhar et al, Crack Detection and
zeitraubend und ineffizient sein, alle an ein Wartungsmanagementsystem Vibration Characteristics of Crac-
Maschinendaten zu prüfen, wenn die oder den Anlagenbetreiber übermittelt ked Shafts, Journal of Sound and
Werte unterhalb der Alarmgrenzen lie- werden. Vibration, Vol 157, 1992
gen. Eine automatische Trend-Alarm- 7. Sonnichsen, H.E., “Real-time De-
funktion für jede einzelne Messung Der Einsatz eines solchen Systems tection of Developing Cracks in Jet
wäre weitaus hilfreicher, aber für eine kann den Arbeitsaufwand der Nutzer Engine Rotors”, Aerospace Confe-
solche Funktion müssten zuerst die spürbar reduzieren und es kann rence proceedings, 2000 IEEE,
Einzelmessungen konfiguriert werden. gleichzeitig als „Frühwarnsystem“ Vol. 6, S. 173-183 ff., 2000
01/11 • uptime megazine 13Hydro-Monitoring-Projekte Eine enorme
Kapazitätssteigerung
in der Türkei
neue
Der Energiebedarf in der Türkei
steigt jährlich um 6-8 %, das ent-
spricht umgerechnet einer Kapazi-
projekte
tätssteigerung von 1,5 bis 2 Gigawatt
pro Jahr, die bis zum Jahr 2017
Brüel & Kjær Vibro ausgestattet, die eine Kapazität von
erreicht werden soll. Ein Großteil der
erhielt vor Kurzem je 170 MW haben. Die Durchfluss-
benötigten Energie soll kurzfristig
den Zuschlag für eine menge beträgt 157 m3/Sek. Das
von neuen Kohle- und Gaskraft-
Ausschreibung, die die Stauwerk soll nach der Inbetrieb-
werken bereitgestellt werden. Die
Installation von Zustands- nahme 1,5 Milliarden kWh pro Jahr
Türkei hat ein enormes Wasserkraft-
überwachungssystemen in fünf erzeugen.
potenzial von 128 Milliarden kWh,
Wasserkraftwerken in der Türkei vor- n Ermenek – Für dieses Kraftwerk ist
von dem bislang nur ganze 35 %
sieht. Es handelt sich unter anderem eine asymmetrische, dünne doppel-
genutzt werden. In der Türkei gibt
um die Birecik- und Ermenek-Wasser- te Betonbogenstaumauer von
es zurzeit 142 Wasserkraftwerke mit
kraftwerke am Euphrat, die Teil des 210 m Höhe vorgesehen. Sie wird
einer Kapazität von 13 Gigawatt, die
strategisch wichtigen Südostanatolien- nach der Fertigstellung zu den
insgesamt 46 Milliarden kWh pro
Projekts (Güneydoğu Anadolu Projesi, höchsten Staumauern in der Türkei
Jahr erzeugen (Stand 2007). Um
GAP) sind. zählen und die sechsthöchste Stau-
die Nutzung erneuerbarer Energien
mauer in Europa sein. Gebaut wird
weiter auszubauen, will man bis zum
Besonderheiten der die Staumauer in einer extrem
Jahr 2023 60 bis 100 Milliarden kWh
Wasserkraftwerke tiefen und schmal zulaufenden
des verfügbaren Wasserkraftpotenzi-
n Birecik – Birecik ist eine der 19 Schlucht. Sie ist am höchsten
als nutzen.
hydroelektrischen Staustufen des Punkt keine 150 m und am Grund
Südostanatolien-Projekts. Birecik nur ganze 5 m breit.
Das Südostanatolien-Projekt
liegt am Euphrat nahe der Stadt n Büyügdüz – Ein kleines Kraftwerk
(Güneydoğu Anadolu Projesi oder
Birecik, 80 km westlich der Provinz mit einer Kapazität von 2 x 30 MW.
GAP) ist eines der größten regiona-
Sanliurfa im Südosten des Landes. n Sarihidir – Ein kleines Laufwasser-
len Entwicklungsprojekte in der Tür-
Die 62,5 m hohe Staumauer be- kraftwerk in der Nähe der Stadt
kei. Das riesige Projekt umfasst auch
steht aus einer Betongründung mit Nevsehir.
den Ausbau von Wasserkraftwerken
Betonit-Kern und Sand-Kies-Sub-
– der Bau von 22 Staudämmen
strat. Das Kraftwerk verfügt über Überwachungsstrategie
in der Region ist vorgesehen. Die
sechs Francis-Turbinen mit Verti- Ein VC-6000-Datenerfassungssystem
Wasserkraftwerke in Birecik und Er-
kalwelle. Die Turbinen haben eine von Brüel & Kjær Vibro wird für die
menek, die von VC-6000-Systemen
Kapazität von je 112 Megawatt, Schutzüberwachung der Wasserkraft-
überwacht werden sollen, sind Teil
einen Turbinenkopf von 42 m generatoren sorgen (mit Ausnahme
dieses bedeutenden Projekts, das
Durchmesser, eine Durchfluss- des Kraftwerks Büyügdüz, in dem
zur Belebung der Wirtschaft in dieser
menge von 317 m3/Sek. und sollen VC-920-Systeme installiert sind und
Region beitragen wird.
durchschnittlich 2,5 Milliarden kWh zwei Einheiten in Ermenek, die von
pro Jahr erzeugen. einem VC-6000 Compact monitor
n Boyabat – Das Kraftwerk liegt in überwacht werden).
der Provinz Sinop im Schwarz-
Ermenek Wasserkraftwerk
meerraum, 15 km südwestlich von
Durağan am Kızılırmak-Fluss. Das
Wasserkraftwerk hat eine 195 m
hohe Staumauer. Es ist mit drei
Francis-Turbinen mit Vertikalwelle
Wasser- MW/
Einheiten
kraftwerk Einheit
Birecik 6 110
Boyabat 3 170
Ermenek 2 150
Büyügdüz 2 30
Sarihidir 2 6/4fall
studie
VIBROCONTROL 1500 überwacht Aunfoss Fakten:
kleine Wasserkraftgeneratoren in Einzugsgebiet 3000 km2
Norwegen Leistung 2x18 MVA
Jahresproduktion 199 GWh
Das VIBROCONTROL 1500 (VC-1500) Schwingungsüber- Fallhöhe 30 m
wachungsgerät wurde im norwegischen Wasserkraftwerk Aunfoss Strömung 76 m3/s
als Schutzsystem für 18 MVA-Wasserkraftgeneratoren installiert.
Die Schwingungsüberwachungseinheit ist nicht nur aufgrund ihrer
Das regionale norwegische Energie-
Benutzerfreundlichkeit, sondern auch wegen ihrer Zusatzfunktionen
versorgungsunternehmen NTE wurde
bestens für diese Anwendung geeignet. vor 92 Jahren gegründet und unterhält
16 Hauptwasserkraftwerke nördlich
der Stadt Trondheim. Die NTE-Was-
Aunfoss-Wasserkraftwerk mit Vertikalwellen ausgestattet sind. serkraftwerke haben eine Kapazität
Das 1959 gebaute Wasserkraftwerk Aunfoss war das erste Wasser- von 820 Megawatt und stehen somit
Aunfoss gehört zu den Wasserkraft- kraftwerk des Energieversorgungs- auf Platz 8 der größten norwegischen
werken, die die Wassermenge des unternehmens Nord-Trøndelag Energieversorgungsunternehmen
Namsen-Flusses, der für seinen Elektrisitetsverk (NTE), in dem das – in einem Land, in dem 99 % des
Lachsbestand bekannt ist, regulie- VC-1500 von Brüel & Kjær Vibro für Strombedarfs von Wasserkraftwerken
ren. Es beherbergt zwei 18-MVA- die Schwingungsüberwachung instal- gedeckt werden. Ein Großteil der von
Generatoren, die mit Francis-Turbinen liert wurde. NTE produzierten Energie wird in
01/11 • uptime megazine 15Abbildung 2: Die Schwingungsüberwachung soll haupt-
Generatorenhalle sächlich für die Schutzüberwachung
in Aunfoss des Traglagers, für die Überwachung
der beiden Führungslager und der
Welle genutzt werden. Eine Möglich-
keit zur nahtlosen Erweiterung – sofort
oder zu einem späteren Zeitpunkt –
muss gegeben sein. Dadurch will man
die enormen Kosten für Standzeiten
ausgleichen. Die Kosten für Standzei-
ten sind nicht auf Produktionsverluste
beschränkt. Standzeiten führen auch
zu einer geringeren Durchflussmenge
und wirken sich negativ auf die Pro-
duktivität der nachgelagerten Turbinen
aus.
Die Auswahl des idealen Schwin-
gungsüberwachungssystems war
kleineren und mittelgroßen Wasser- zienteren Betrieb und eine effizientere alles andere als einfach. Ein typisches
kraftwerken mit ein bis vier Turbinen Wartungsplanung. rack-basiertes Schutz- und Condition-
erzeugt. Aus diesem Grund entschied sich Monitoring-System verfügt über alle
In den letzten 20 Jahren haben NTE Aunfoss in diesem Jahr für die zu- erforderlichen Funktionen und Fern-
und andere norwegische Kraftwerks- sätzliche Schwingungsüberwachung. überwachungsfunktionen für diese
betreiber von Dauerbetrieb auf Teil- Obwohl NTE einige Wasserkraftwerke Anwendung, ein solches System wäre
betrieb bzw. auf periodischen Betrieb betreibt, in denen keine Schwingungs- aber für die Zustandsüberwachung
umgestellt, um sich besser an saison- überwachungslösung installiert ist, von ein bis zwei kleineren Wasser-
bedingte Veränderungen der Was- wurde diese Methode von den meis- kraftgeneratoren zu kostspielig. Auf
serversorgung und der Energiepreise ten Kraftwerken übernommen. Heute der anderen Seite sind viele preisgün-
anpassen zu können. Der periodische werden in mehr als der Hälfte der stige Schwingungsmonitore auf dem
Betrieb ist zwar kosteneffizienter, die NTE-Wasserkraftwerke Schwingungs- Markt erhältlich, denen aber wichtige
Maschinen werden aber durch das überwachungsprodukte von Funktionen fehlen, die für eine effek-
häufige Anfahren und Herunterfahren Brüel & Kjaer Vibro betrieben. tive Überwachung prozesswichtiger
der Generatoreinheiten stärker bean- Maschinen benötigt werden. Nach
sprucht. Brüel & Kjaer Vibro hat NTE im Lauf sorgfältiger Überlegung und Recher-
der Jahre verschiedene Zustands- che entschied sich Aunfoss für ein
Vorherige Erfahrungen mit überwachungslösungen bereitgestellt, VC-1500 Überwachungsgerät mit zwei
der Zustandsüberwachung darunter auch VC-2000 und VC-4000- Kanälen. Das Gerät ist die optimale
Bislang war die Zustandsüberwa- Systeme. Die Systeme überwachen Lösung: Es verbindet zuverlässige
chung bei NTE nur auf die Temperatur den Zustand von hydroelektrischen Schwingungsüberwachung mit wichti-
des Schmieröls, den Druck und den Generatoren mit Kapazitäten von 4
Ölstand der Wasserkraftgeneratoren bis 75 Megawatt. Derzeit werden über Abbildung 3: VC-1500-Schwingungs-
beschränkt. Vor Kurzem haben einige 150 Wasserturbinen in Norwegen von überwachungseinheit
Kraftwerke ihre Überwachungsfunktio- Systemen von Brüel & Kjaer Vibro
nen durch Schwingungsüberwachung überwacht.
ergänzt. Die Schwingungsüberwa-
chung liefert zum Einen frühzeitigere Anforderungen an das
Warnmeldungen für die Mehrheit der Condition-Montoring-System
in Lagern und Wellen auftretenden in Aunfoss
Fehler als andere Methoden; zum Das Schwingungsüberwachungs-
Zweiten kommt dem effektiven Res- system in Aunfoss soll, ebenso
sourcenmanagement zunehmend wie bei den meisten anderen NTE-
größere Bedeutung zu – nicht nur im Wasserkraftwerken, das bestehende
Hinblick auf den Maschinenschutz, Schmierungsüberwachungssystem
sondern auch in Bezug auf einen effi- ergänzen, aber nicht ersetzen. Die
16 uptime megazine • 01/11Abbildung 4: Schäden an den La-
gerbolzen des Generators (links),
Beschädigung der Schweißnaht des
Generatorlagergehäuses (rechts)
ähnlicher schwingungsrelevanter Feh-
ler an der Schweißnaht des Gene-
ratorlagergehäuses zu sehen.
Diese beiden Maschinenfehler
hätten durch den Einsatz
eines Schwingungsüber-
wachungssystems
Fallstudie – unentdeckte nicht erkannt wurden. Dies war nur ei- problemlos vermieden
Maschinenfehler ner der Beweggründe für die Installati- werden können und
fall
Vor der Installation des Schwingungs- on eines Schwingungsüberwachungs- das Problem wäre
überwachungssystems von systems. In Aunfoss versagten die mit ausreichender
Brüel & Kjaer Vibro kam es in Aunfoss, Lagerbolzen des Generators aufgrund Vorlaufzeit für die
ebenso wie in anderen NTE-Wasser- extrem hoher Schwingungen. Dies ist Planung der Service-
studie
kraftwerken, zu Ausfällen, die von den in Abbildung 4 dargestellt. aktivitäten entdeckt
bestehenden Überwachungssystemen In derselben Abbildung ist ein worden.
gen Condition-Monitoring-Funktionen in Aunfoss jedoch derzeit nicht genutzt, Mehrere VC-1500-Einheiten können in
und einer Busschnittstelle für den weil die Lagertemperatur von einem ein einzelnes Netzwerk integriert
Datenexport. anderen System überwacht wird. werden und bieten somit eine effektive
Zustandsüberwachung und Diagnose
VC-1500 Compact Monitor Die Datenanzeige, die Trendanzeige für eine Reihe von Maschinen. An-
Das VC-1500 erfasst Schwingungs- und die Systemsteuerung des wender können über zwei individuell
signale über Beschleunigungssenso- VC-1500 erfolgen über einen konfigurierbare Datenübertragungs-
ren, die am Lager montiert sind. Es PC-Server via USB-/CAN-Busschnitt- raten per Fernzugriff effizient mit dem
überwacht den Zustand der Welle, stelle. Das VC-1500 Gerät verfügt System kommunizieren.
der Axialgleitlager und -traglager. Die über eine Trendanzeige und es be-
gemessenen Beschleunigungssignale steht die Möglichkeit, direkt vor Ort Systemkonfiguration
werden zu einem Schwinggeschwin- eine Schwingungsanalyse im Bereich Auf jede Turbine in Aunfoss kommen
digkeitskennwert integriert. Ein Be- von 10 bis 1000 Hz durchzuführen. zwei VC-1500-Einheiten (siehe Abbil-
schleunigungssensor ist einfach zu Auch wenn in Aunfoss derzeit nicht dung 5 auf der nächsten Seite). Eine
installieren und zu warten. der gesamte Funktionsumfang genutzt Einheit überwacht den Zustand der
wird, bietet das VC-1500 einen Fern- Turbinenlager. Sie ist mit zwei
Das VC-1500 ist ein Zweikanal- zugriff per Internet zur Bestätigung X-Y-Beschleunigungssensoren verbun-
Überwachungsgerät für die absolute eingehender Alarmmeldungen, zum den, die in einem Winkel von 90 ° zu-
Schwingungsmessung mit zwei konfi- Zurücksetzen von Relais und zum einander angeordnet sind. Die zweite
gurierbaren Alarmen und Relais. Für Ändern der Messkonfiguration. Eine Einheit überwacht die Generatorlager
jeden Kanal ist außerdem ein 4-20 mA- andere Condition-Monitoring-Funktion über einen in Radialrichtung montier-
Ausgang erhältlich. Es ermöglicht auf ermöglicht ferner eine rückwirkende ten Beschleunigungssensor und einen
beiden Kanälen zudem eine Tempera- Trendbetrachtung und eine Frequenz- zweiten in Axialrichtung montierten Be-
turüberwachung. Diese Funktion wird analyse der Daten. schleunigungssensor für die Traglager.
01/11 • uptime megazine 17Generatorlager
Relais
Traglager
Daten/Steuerung
Turbinenlager X
Relais
Turbinenlager Y
Abbildung 5: Konfi-
guration des Über-
Oberes Generatorlager wachungssystems in
Aunfoss. Unten: Eine
Unteres Generatorlager typische Konfiguration
für einen Wasserkraft-
generator mit drei La-
gern. Bei NTE werden
Traglager
mehrere dieser Gene-
ratoren genutzt (die
Turbinenlager Grafik dient nur zur
Veranschaulichung).
Der installierte Beschleunigungssensor weise katastrophale Havarie hindeuten, in der Nähe des Generators installiert,
ist in Abbildung 6 dargestellt. sicherzustellen. Die Trip-Multiplier- siehe Abbildung 7.
Relaissignale werden an das Prozess- Funktion des VC-1500 sorgt dafür,
leitsystem und an das Not-Aus-System dass für die Maschine aufgrund hoher Schwingungsmessungen und
übermittelt, um ein Herunterfahren der Schwingungen beim Anfahren bzw. Konfiguration von
Maschine bei Schwingungen, die auf während der Synchronisation kein Alarmmeldungen
eine bevorstehende und möglicher- Nothalt ausgelöst wird. Die Datenan- Abbildung 4 zeigt, dass jede VC-1500-
zeige und die Systemsteuerung sind Einheit für eine bestimmte Überwa-
lokal oder via USB-/CAN-Busschnitt- chungsaufgabe konfiguriert ist. Dies
Abbildung 6: Beispiele für die Installa-
stelle über einen PC-Server möglich. ist in Tabelle 1 zusammengefasst.
tion des Beschleunigungssensors. Die
Die beiden VC-1500-Einheiten werden
Abbildung veranschaulicht die hohe
in der Regel in einem Schaltschrank
Installations- und Wartungsfreundlichkeit
der Sensoren. Es handelt sich um zwei
AS-0070/02-Beschleunigungssensoren
von Brüel & Kjær Vibro. Die Beschleuni-
gungssensoren sind am Lagergehäuse
der Turbine montiert. Ein Beschleuni-
gungssensor ist in X-Richtung befestigt
(rechts), der zweite in Y-Richtung (links).
Am Lager des Generators (nicht abge-
bildet) sind ein Beschleunigungssensor
in X-Richtung und ein Beschleunigungs-
sensor in Z-Richtung (Axial) in einem
Winkel von 90 ° zueinander montiert.
18 uptime megazine • 01/11Fazit Aunfoss wollte eine effektive Schwin- n Fernüberwachung (Remote Moni-
Infolge der neuen variablen Betriebs- gungsüberwachungsstrategie umset- toring), Datenanzeige und
zeiten werden viele kleinere Generato- zen, um Standzeiten zu vermeiden. Steuerung
ren stärker belastet, was zu unvorher- Nach eingehenden Recherchen und
gesehenen und häufigeren Standzeiten einem sorgfältigen Auswahlverfahren Danksagung
führen kann. Der Ausfall eines einzigen entschied man sich für die VC-1500- Wir bedanken uns bei Herrn Oddvar
Generators kann teuer werden, da er Schwingungsüberwachungsein- Lundseng von NTE für seine Mitwir-
einen Kaskadeneffekt auslösen kann, heit. Das VC-1500 deckt wichtige kung an diesem Artikel. Wir möchten
durch den sich die Produktivität der Marktanforderungen ab. Es umfasst uns außerdem bei Herrn Thor Ivar
nachgeschalteten Anlagen verringert. die benötigten Funktionen, die in Fjeldheim von T.L Teknologi A/S für
Wie die Fallstudie in Aunfoss belegt, niedrigpreisigen Schwingungsüber- seine Beiträge bedanken sowie bei
waren die ursprünglichen Zustands- wachungssystemen fehlen und erfüllt Herrn Peter Surland, einem Applicati-
überwachungssysteme nicht notwendi- die Wirtschaftlichkeitsanforderungen, on Ingenieur von Brüel & Kjær
gerweise auf die Erkennung wichtiger denen kostspielige rack-basierte Vibro Dänemark für seine Beiträ-
potenzieller Fehlerursachen mit ange- Überwachungssysteme nicht gerecht ge zu diesem Artikel und zur
messener Vorlaufzeit ausgelegt. werden. Dies ist für die Schutz-und Überwachungsstrategie.
Zustandsüberwachung in Wasserkraft-
werken mit ein bis zwei relativ kleinen
prozesswichtigen hydroelektrischen
Generatoren entscheidend.
fall
Wichtige Funktionen umfassen:
n Zwei Grenzwertstufen (Alarm und
Gefahr) und Trip-Multiplier-Funktion
n Messungen der absoluten Lager-
studie
schwingungen
n Eine wirtschaftliche Standardkonfi-
guration für Sensoren
n Einfache Verbindungen und Benut-
zeroberflächen
Abbildung 7: Schaltschrankinstallation
n Condition-Monitoring-Funktionen,
der beiden VC-1500-Schwingungs-
zum Beispiel Trendbetrachtung und
überwachungsgeräte.
Frequenzanalyse
Tabelle 1:
Montageposi- KONFIGURATION Fehlererkennung anhand Typische
tion des absoluter Schwingungen VC-1500-Konfi-
Beschleuni- einer beliebigen guration für die
gungssensors Messung Ursprüngliche Schwingungsquelle Zustandsüber-
(Ausrichtung) Alarmgrenzen wachung kleiner
Wasserkraftgene-
Generatorlager Allgemeine Alarmgrenze = Lagerspiel, loses Fundament,
ratoren mit zwei
(Radial, X) Geschwindig- 2 mm Beschädigung des Lagers,
Führungslagern.
keits-Bandpass- Auslösegrenze = unzureichende Schmierung,
messung, RMS 4 mm Überlast, Verschleiß, Ausricht-
Turbinenlager
(ISO: fehler, Unwucht und weitere
(Radial, X-Y)
1Hz - 1000Hz) Radialschwingungen.
Traglager Allgemeine Alarmgrenze = Axiale Statorbewegung, Trag-
(Axial, Z) Geschwindigkeits- 2 mm lagerprobleme, Erkennung
Bandpassmes- Auslösegrenze = beliebiger Axialschwingungen
sung, RMS 4 mm
(ISO:
1Hz - 1000Hz)
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