Schwebend zu hohen Drehzahlen

Neue Magnetlager-Technologie im Einsatz in Gaskompressoren

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09.06.2016 Wenn der Gasdruck sinkt, sind höhere Kompressorleistungen notwendig. Im Onshore-Gasfeld Groningen führte dies zur Notwendigkeit, Rotoren schwebend zu lagern. Dies gelingt mit Magnetlagern die über einen Regelkreis in der Schwebe gehalten werden.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Aufgrund von Umweltschutzauflagen und der Forderung nach einem durchgängigen Drehzahlbereich kamen keine Gleit- oder Wälzlager in Betracht.
  • Magnetlager erreichen dagegen auch bei großen Rotordurchmessern hohe Drehzahlen und erzeugen keine Ölleckagen.
  • Darüber hinaus können aktive Magnetlager im gesamten Drehzahlbereich vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl betrieben werden.

Wenn tonnenschwere Kompressor-Rotoren bei hohen Drehzahlen laufen müssen und dabei nicht mit Öl geschmiert sein dürfen, ist guter Rat teuer.  Im größten Onshore-Gasfeld Europas hat man das Problem mit einer neuen Magnetlager-Technik gelöst.
Die auf der diesjährigen Hannover Messe vorgestellten Magnetlager von Siemens mit dem Markennamen Simotics Active Magnetic Bearing-Technology  sind bereits seit über zwei Jahren im größten Onshore-Gasfeld Europas in der Nähe von Groningen (Niederlande) in Betrieb. Beweggrund für den Einsatz der neu entwickelten Hochleistungsmagnetlager für Großmaschinen war ein in über 50 Jahren Gasförderung stetig sinkender Gasdruck, so dass das Gas nun mit einer erhöhten Kompressorleistung gewonnen werden muss. Die Lösung der Aufgabe bestand in der Entwicklung von Kompressorstationen, in denen ein Synchronmotor mit einer Gesamtleistung von 23 MW und mit Drehzahlen von bis zu 6.300 1/min an jedem Wellenende je einen Kompressor antreibt. Die Rotoren wiegen mehrere Tonnen – allein der Motorläufer hat ein Gewicht von 9,5 t.
Aufgrund von Umweltschutzauflagen im Fördergebiet und der Forderung nach einem durchgängigen Drehzahlbereich kamen Gleit- oder Wälzlager als technische Lösung nicht in Betracht. Magnetlager hingegen können hier ihre besonderen Eigenschaften voll ausspielen. Mit ihnen können hohe Drehzahlen bei großen Rotordurchmessern mühelos erreicht werden, da im Gegensatz zu Gleitlagern bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten keine Ölleckagen auftreten können. Darüber hinaus können aktive Magnetlager Resonanzen im Drehzahlbereich aktiv dämpfen, so dass die Maschinen ohne Sperrbereiche auskommen, d. h. dauerhaft im gesamten Drehzahlbereich vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl betrieben werden können. Dies erlaubt es, die Gasförderung bedarfsgerecht anzupassen.
Das physikalische Prinzip hinter der magnetischen Lagerung von Rotoren ist vergleichsweise einfach: Der zu lagernde Rotor wird berührungslos durch Kräfte gehalten, die von Elektromagneten erzeugt werden. Da die Anziehungskräfte eines Magneten mit kleinerem Abstand größer werden – dieser Effekt kann auch mit einem Permanentmagneten leicht nachgestellt werden – müssen die Magnetkräfte geregelt werden. Ein Abstandssensor erfasst hierzu die Auslenkung des Rotors aus der Solllage im Zentrum des Lagers. Basierend auf dieser Information generiert ein Regler einen Stromsollwert für einen Elektromagneten, der von einem Leistungsverstärker umgesetzt wird. Ist der Regler korrekt parametriert, schwebt der Rotor.
Eine reale Radialmagnetlagerachse besteht aus zwei gegenüberliegend angeordneten Elektromagneten, um den Rotor aktiv in beide Richtungen ziehen zu können. Eine Radiallagereinheit besteht jeweils aus zwei um 90 Grad versetzte Achsen. Um einen Rotor komplett in radialer Richtung zu la-gern, werden zwei Radialmagnetlager eingesetzt. Die axiale Lagerung des Stranges wird in der Regel in die Arbeitsmaschine implementiert – im Projekt in Groningen in die beiden Kompressoren. Um eine axiale Überbestimmung zu vermeiden, ist eine der beiden Strangkupplungen axial weich ausgeführt, sodass der Motor in axialer Richtung von dem Axiallager lediglich eines Kompressors geführt wird. Ein Axiallager besteht aus einer Axiallagerscheibe, die auf den Rotor aufgeschrumpft ist, sowie aus je einem Elektromagneten auf beiden Seiten der Scheibe. Ansonsten entspricht das Axialmagnetlager vom Prinzip her einer Radialmagnetlagerachse.

Heftausgabe: Juni 2016
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Über den Autor

Bert-Uwe Köhler, Entwicklungsingenieur, Joachim Denk, Produktmanager, und Gijs van Maanen, Produktmanager bei Siemens
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