Grundfos: Monitoring für Industriepumpen

Wodurch wird sich eine moderne Industriepumpe in 10 Jahren auszeichnen? Prognosen hinsichtlich technischer Entwicklungen sind nie einfach. Doch mancher Blick in die Zukunft kann als durchaus abgesichert gelten. Beispielsweise wird ein integriertes Pumpen-Monitoring schon in überschaubarer Zeit Stand der Technik sein. Die Frage nach dem Stand der Pumpentechnik in 10 Jahren kann nicht in der Weise beantwortet werden, was technisch möglich wäre. Vorstellbar ist vieles – von der verlustfrei rotierenden magnetgelagerten Pumpenwelle bis hin zur Miniatur-Pumpe an jedem einzelnen Heizkörper. Relevanter ist die Frage: Wohin entwickelt sich das Umfeld, die Anlagentechnik, in der die Industriepumpe arbeiten soll? Und welche Anforderungen hat der Betreiber in Zukunft?

Die Bedeutung der Energieeffizienz wird noch lange eines der zentralen Themen im Pumpenmarkt bleiben. Dafür sorgen die Politik mit der Energieeinsparverordnung (EnEV) ebenso wie der generelle Kostendruck auf Industrie und Kommunen. Die Verantwortlichen in allen Branchen wissen, dass sie sich intensiv um Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs kümmern müssen. Für die Pumpenhersteller bedeutet das: Drehzahlverstellbare Aggregate und insbesondere EFF1-Hocheffizienz-Motoren werden weiter an Bedeutung gewinnen. Zudem muss der Pumpenhersteller kompatible Lösungen zur Bus-Anbindung seiner Systeme an das zentrale (Prozess- oder Gebäude-)Leitsystem anbieten.

Relativ gesichert ist auch diese Prognose: Die Pumpen werden – über alle Standardisierungsbemühungen hinaus – immer individueller auf den Einsatzfall hin spezifiziert. Das ist kein Widerspruch, die Lösung liegt in der Modularisierung der Bauteile.

Diese Spezifizierung und generell der Blick auf die Kosten wird dazu führen, dass die Betreiber verstärkt den Verzicht auf Stand-by-Aggregate (‚B-Pumpen‘) fordern. Das ist aber nur umsetzbar, wenn die Prozesssicherheit darunter nicht leidet. Wo fachkundiges Personal eher knapp ist, muss die Technik helfen. Konsequenz für die Pumpe: Sie muss noch schlauer werden als heute, muss eine sich anbahnende Störung so früh erkennen, dass dem Betreiber ausreichend Zeit für angemessene Reaktionen bleibt.

Spezifisches Monitoring für Pumpen

Es gibt viele Gründe, eine Pumpe zu überwachen:

• Die Pumpe oder das Pumpensystem selbst ist sehr spezifisch und/oder teuer; eine Wiederbeschaffung wäre zeitaufwändig.
• Die Pumpe ist weit entfernt installiert (beispielsweise auf einem Schiff oder einer Bohrplattform).

Die Anlage, in der die Pumpe arbeitet, ist in hohem Maße abhängig von der Verfügbarkeit der Pumpe (Prozesspumpen in der Verfahrenstechnik).

Während Pumpenhersteller das Thema ‚Monitoring’ bzw. ‚Störungsfrüherkennung‘ schon vor Jahren aufgriffen und mehr oder weniger aufwendige Überwachungssysteme entwickelt haben, nutzen industrielle Betreiber diese Angebote heute noch eher selten: Zu teuer, zu aufwändig, zu fragwürdig sei der Nutzen solcher Systeme, ist zu hören.

Fakt ist: Der Aufwand einer Überwachung muss in Relation zum Risiko, zum Wert der Pumpe oder zu den konkret nachweisbaren Kosteneinsparungen bei der Instandhaltung stehen.

Nach Überzeugung von Grundfos ist derzeit ein Grundproblem ungelöst: Es gibt zwar sehr viele Anbieter von Sensoren, die den Druck, die Strömung, die Temperatur oder Schwingungen messen. Was fehlt, das sind Systeme, die ein Messergebnis pumpenspezifisch interpretieren. Denn die Frage ist ja nicht: ‚Wie hoch ist die Temperatur im Lager?‘ Selbst wenn ein bestimmter Alarmwert zum Abschalten der Pumpe führt, ist das noch nicht zufriedenstellend.

Relevant ist die Fragestellung so: ‚Was bedeutet ein Anwachsen der Temperatur im Lager für den sicheren Betrieb der Pumpe?’ Und: ‚Wann wird die Situation für die Pumpe kritisch?’ Die Herausforderung besteht also darin, beginnende Status-Änderungen im Vorfeld eines Alarmzustands zu erkennen. Ziel ist es, einen Schaden vor Eintritt des Ereignisses zu erkennen und vorauszusagen, wann der Schaden mit hoher Wahrscheinlichkeit eintreten wird.

Integriertes Monitoring: Markteinführung in zwei Schritten

Die F&E-Spezialisten von Grundfos setzen speziell bei den Hochdruckpumpen der Baureihe CR auf das integrierte Monitoring. Was ist darunter zu verstehen, was wird das System (es soll ab dem Jahr 2010 einsatzbereit sein) leisten?

In Phase 1 wird ein Überwachungs- System angeboten, das bereits vorliegende Komponenten und Module nutzt - beispielsweise den MP204- Motorschutz und den Trockenlaufschutz Liqtec.

1. Motorschutz MP204: Um die Verfügbarkeit einer Pumpe sicher zu stellen, sollte der Motor stets im Rahmen seiner zulässigen Nennwerte betrieben werden. Ein Motorschutz gewährleistet das und verschafft dem Antrieb zudem eine höhere Lebensdauer.

Grundfos hat den Motorvollschutz MP204 speziell für Pumpenmotoren entwickelt: Er schützt Pumpensysteme zuverlässig vor äußeren Einflüssen wie Unterspannung, Überspannung und anderen Schwankungen im Stromnetz. Insbesondere der Punkt ‚einfache Inbetriebnahme‘ stand im Lastenheft der Entwickler ganz oben.

Der Motorvollschutz berücksichtigt mit hoher Messgenauigkeit (Echt-Effektivwert-Messung) alle Betriebszustände, die den Antrieb in der Praxis gefährden könnten. Und auch die Pumpe selbst wird geschützt – beispielsweise ist das Absinken der Leistungsaufnahme ein sicherer Indikator für beginnenden Trockenlauf. Deshalb unterbricht der MP204 die Förderung unterhalb einer Leistungsaufnahme von 60 %.

2. Trockenlaufschutz Liqtec: Teil des integrierten Monitorings wird der heute schon verfügbare ‚intelligente‘ Trockenlaufschutz Liqtec sein. Hintergrund: 25 % aller Pumpenausfälle basieren nach Auswertung einer Reihe von Betreibern wie Herstellern auf einem vorausgegangenen Trockenlauf der Pumpe. Der Trockenlaufschutz-Sensor Liqtec arbeitet als Strömungswächter nach dem kalorimetrischen Messprinzip, montiert in der direkten Umgebung der Gleitringdichtung. Er besitzt keine beweglichen Teile, somit kann der Sensor ungefährdet auch bei Druckschlägen und festkörperbelasteten Medien eingesetzt werden.

Die kalorimetrische Strömungsüberwachung nutzt die Wärmeübertragung zweier Systeme, die sich relativ zueinander bewegen: Der Sensor (das stationäre Element) wird vom Fördermedium (das instationäre Element) umströmt; es findet ein Wärmeübergang vom beheizten Sensorelement zum kälteren Fördermedium statt. Verglichen mit der Luft kühlt die Sensorspitze im wässrigen Medium schneller ab, und die Auswerteinheit kann unterscheiden, ob sich die GLRD in einem wässrigen Medium oder in Luft befindet. Zusätzlich ist ein PTC-Controller installiert, der den Motor bei unzulässiger Erwärmung abschaltet.

In Phase 2 wird Grundfos weitere Sensor-Technologien integrieren. Ziel ist ein Pumpen- Überwachungs-System, das einen potentiellen Schaden bereits Tage vor dem Schadensereignis vorhersagt.

Diese Sensor-Technologie wird auf der heute bereits verfügbaren Technologie der ‚Direct Sensors‘ basieren. Dabei handelt es sich um einen mikromechanischen Halbleiter-Sensor (MEMS). Die Innovation besteht in der ‚ direkten‘ Messung auf einem Silizium-Chip. Im Gegensatz zu konventionellen Sensoren, die entweder aufwändig gekapselt oder ungeschützt dem Medium ausgesetzt sind, sorgt eine porenfreie Oberflächenbeschichtung aus amorphem Metallglas für einen dauerhaften Schutz des Sensor-Chips – selbst gegenüber aggressiven Medien.

Diese neuartige Sensortechnik ermöglicht nicht nur ein sehr kompaktes Design, sie ist auch äußerst robust. Der quasi unmittelbare Kontakt zum Medium gewährleistet zudem eine schnelle Ansprechzeit, eine akkurate Messung mit großer Bandbreite sowie eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Um Schäden an der Pumpe zu vermeiden, warnt das ab etwa 2010 verfügbare System den Pumpenbetreiber per SMS oder eMail. Automatisch fordert es die zur vorbeugenden Wartung erforderlichen Service- Kits und Ersatzteile an. Zudem stellt das System alle notwendigen Dokumente zur Verfügung, um den Service ausführen zu können. Selbstverständlich stellt das Monitoring- System alle relevanten Daten bereit - den Energieverbrauch, die Zahl der Betriebsstunden, Zahl der Starts usw. Geplant ist, das CR-Monitoring- System in zwei Komfortpaketen anzubieten.