Kompressorschutz wird elektrisch

Interview mit Dr. Eckhard Roos, Leiter Industry Segment Management Process Industries, Festo

11.02.2019 Um einen Turbinenkompressor wirksam vor verheerenden Druckstößen zu schützen, muss ein effektives Anti-Surge-Ventil (ASCV) schnell und präzise arbeiten: zwei Aspekte, die für derzeit normalerweise pneumatisch betätigte ASCV eine enorme Herausforderung darstellen. Zusammen mit Shell Global Solutions (SGSI) hat der Automatisierungstechnik-Anbieter Festo daher einen elektrischen Servoantrieb für ASCV mit einer neuartigen Fail-Safe-Funktion entwickelt.

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Im Vergleich zu traditionellen Pneumatiklösungen ermöglicht der Antrieb eine präzisere Ansteuerung und erfordert durch sein einfaches Design weniger Wartungsaufwand über den Lebenszyklus einer Anlage. Dr. Eckhard Roos, Leiter des Industriesegments Process Industries bei Festo, erläutert die Hintergründe der Entwicklung.

Zur Person: Dr. Eckhard Roos, Festo

 

 

Dr. Eckhard Roos ist seit 30 Jahren in verschiedenen Bereichen der Automatisierungstechnik in den Prozessindustrien tätig, davon 11 Jahre bei ABB als Leiter des Business Unit Chemicals, O&G in Deutschland. Seit Mitte 2006 leitet er das globale Industry Segment und Key Account Management Prozessindustrien bei Festo in Esslingen. Er ist weiterhin Vorstandsmitglied der Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) und Leiter des AK Energieeffizienz im FV Automation des ZVEI.

 

CT: Warum erfolgte der Antrieb von Anti-Surge-Ventilen bislang in der Regel pneumatisch, wenn der elektrische Antrieb so große Vorteile bietet?
Roos: Wir sehen hier einen Wandel, der auch in anderen Bereichen der Automatisierung vollzogen wurde. Pneumatische Antriebstechnik hat klare Vorteile bei verschiedensten Anwendungen. Aber die Pneumatik kommt bei komplexen Anforderungen oftmals an ihre Grenzen, etwa wenn es um hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit geht.

Dies hat dazu geführt, dass Festo zum Beispiel das Produktportfolio für die Fertigungstechnik von der Pneumatik kommend konsequent erweitert hat in Richtung der elektrischen Antriebstechnik, um auch komplexe Anforderungen erfüllen zu können. So bekommen Anwender technologieneutral die beste Lösung für eine Applikation. Und diesen Schritt gehen wir jetzt auch mit dieser Lösung für den Öl- und Gasbereich, der genau die genannten hohen Anforderungen aufweist in Richtung hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit.

CT: Was waren die technischen Herausforderungen bei der Entwicklung des elektrischen Antriebs, und wie wurden diese überwunden?
Roos: Die Anforderungen an den Antrieb für ein ASCV sind laut unserem Kooperationspartner Shell mit die komplexesten, die es in der Automatisierung von Prozessventilen im Öl- und Gasbereich gibt. Kurz gesagt soll der Antrieb möglichst präzise regeln, im Störungsfall im Netz aber das ASCV und damit den Bypass am Kompressor schlagartig öffnen, um mögliche Schäden am Kompressor durch Rückstau zu vermeiden. Der gewünschte Zustand ist aber immer, dass das ASCV geschlossen ist. Dann werden Verluste im Kompressor vermieden und die komplette Leistung des Kompressors wird für die Gasversorgung genutzt. Gute Anlagen erreichen einen geschlossenen Zustand von über 80 Prozent der Betriebsdauer. Im verbleibenden Zeitraum ist eine genaue Regelung der Anlage erforderlich, um Verluste zu minimieren. Das Antriebssystem mit Umrichter, Antrieb und Spindel basiert auf Standardkomponenten mit entsprechenden Zertifikaten. Damit können wir auch schon die Betriebsbewährtheit der Komponenten in verschiedenen Applikationen zeigen.

CT: Gab es ein konkretes Projekt, das die Entwicklung dieses Antriebs erforderlich machte, und welche spezifischen Anforderungen galt es dabei zu erfüllen?
Roos: Die Idee dazu kam Willem van Rijs, Senior Automation Engineer bei Shell Global Solutions, im Rahmen eines Besuches einer Messe für Robotik und mechatronische Anwendungen. Unser Kooperationspartner Shell ist immer auf der Suche nach Innovationen, die gleichzeitig Komplexität in Anlagen reduzieren und damit Kosten über den Lebenszyklus sparen. Und zusammen haben wir das Projekt dann aufgesetzt und die Technologie zu der derzeitigen Reife gebracht.

Generell sind die Anforderungen der O&G-Industrie zu erfüllen, die für neue Produkte eine Betriebsbewährung fordert und natürlich auch das übliche Fail-safe-Verhalten: Bei Ausfall sämtlicher Hilfsenergien muss das Ventil in eine vordefinierte Stellung gehen, falls das Ventil eine Relevanz für die Sicherheit der Anlage hat. Letzteres könnte man durch eine Pufferung der elektrischen Energie für einen Störungsfall, beispielsweise den Ausfall der elektrischen Energieversorgung, erreichen.

Wir glauben aber, dass die Akzeptanz dafür momentan im Markt noch nicht vorhanden ist und haben uns daher für ein mechanisches Fail-safe-System entschieden, das traditionell auf vorgespannten Federn basiert, die im Störungsfall entspannt werden und das Ventil öffnen. Die Feder wird am Anfang des Betriebes einmalig gespannt und dann mechanisch blockiert, so dass im Normalbetrieb kein Verbrauch elektrischer Energie hierfür anfällt.

CT: Sind durch den elektrischen Antrieb neben gesteigerter Effizienz auch völlig neue Anwendungsfelder denkbar, in denen ein elektrischer Antrieb den pneumatischen ersetzen könnte?
Roos: Ja, es sind sicherlich auch weitere Anwendungsfelder denkbar, und die Gespräche auf der Messe Valve World haben uns gezeigt, dass andere Hersteller von Prozessventilen ebenfalls über elektrische Antriebstechnik nachdenken. Aber ich möchte vermeiden, dass der Eindruck entsteht, dass elektrische Antriebstechnik generell pneumatische Antriebstechnik verdrängen wird. Beide Technologien haben ihre Berechtigung und letztendlich wird die Wirtschaftlichkeit bei Betrachtung aller Kosten über den Lebenszyklus entscheiden, welche Technologie sinnvollerweise zur Anwendung kommt. Dies ist in den Fertigungsindustrien so, und dies wird auch in den Prozessindustrien der Fall sein.

CT: Welche weiteren Verbesserungen oder Weiterentwicklungen erwarten Sie in diesem Bereich in naher Zukunft?
Roos: Ein Vorteil der elektrischen Antriebstechnik im Vergleich zur pneumatischen ist die einfachere Realisierung von Diagnosen. So könnten zum Beispiel über Hart-Protokolle Funktionalitäten des Condition Monitoring umgesetzt werden. Und über die genauere Kenntnis des Zustandes von Anlagen und möglichen Veränderungen in den Produktionsbedingungen, wie zunehmende Reibung, können längere Betriebszeiten erreicht werden oder störungsbedingte Stillstandzeiten durch vorgezogene Wartung vermieden werden. Beides führt zu einer höheren Produktivität der Anlagen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil, den man sich von der neuen Technologie verspricht, ist die Möglichkeit, Anlagen näher an den Auslegungsgrenzen zu betreiben. Der elektrische Antrieb ist schneller im Öffnen des ASCV im Störungsfall. Dies kann dazu benutzt werden, die Anlage näher an der Surge-Grenze zu betreiben, da im Störungsfall der elektrische Antrieb schneller öffnet im Vergleich zum pneumatischen Antrieb. Das Ergebnis ist auch wieder eine höhere Produktivität. Kompressoren werden über spezielle Steuerungen gefahren, unabhängig von überlagerten Leitsystemen, um die schnellen Vorgänge abbilden zu können. Die Einbindung von Diagnoseparametern und anderen Kennwerten wird hier auch noch weitere Vorteile bieten, wir sind aber in unseren Diskussionen noch am Anfang.

CT: Gibt es technische oder wirtschaftliche Faktoren, die eine Weiterentwicklung erschweren oder begrenzen?
Roos: Momentan wird die Fail-safe-Funktion noch mechanisch wie beschrieben umgesetzt. Diese Funktion hat den größten Kostenanteil in der Gesamtlösung. Die weiteren Funktionen werden über Standardkomponenten realisiert. Letztendlich könnte auch die Fail-safe-Funktion mit Hilfe von elektrischem Speicher abgebildet werden. Dies würde bedeuten, dass man bei der SIL-Betrachtung die Kompletteinheit evaluieren muss. Technologisch ist dies sicherlich machbar. In Bezug auf die Wirtschaftlichkeit haben wir es noch nicht untersucht.

Ich glaube aber, dass momentan bei dem ersten Schritt in Richtung elektrischer Antriebe die Fail-safe-Funktion in einer traditionellen Art, also mit Federkraft, umgesetzt werden muss, um die Akzeptanz für die neue Technologie im Markt zu erreichen. Zwei Schritte auf einmal würden von der sehr konservativen Öl- und Gasbranche nicht akzeptiert werden. Und dies ist auch verständlich, wenn man die Investitionsvolumen und die Langfristigkeit von Investitionen betrachtet. Wir müssen hier Schritt für Schritt gehen.

Powtech 2019 Halle 4 – 161

Zur Technologie: Elektrischer Servoantrieb für Anti-Surge-Ventile

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Festo hat den neuen elektrischen Servoantrieb für Anti-Surge-Ventile im Dezember 2018 vorgestellt. Bilder: Festo

Technologien aus dem Bereich der Robotik und der Mechatronik sind bis heute noch nicht zu allgemein verfügbaren Komponenten zur direkten Anwendung in der Prozessindustrie, insbesondere der Öl- und Gasindustrie, herangereift. Vor diesem Hintergrund haben Shell und Festo ihre intensive Entwicklungszusammenarbeit aufgenommen. Der daraus hervorgegangene Antrieb mit elektrischem Servomotor für ASCV stellt eine neuartige Technologie für diese Art von Anwendung dar und weist klare Vorteile im Vergleich zu traditionellen Pneumatiklösungen auf.

Die modular aufgebaute Lösung verfügt über eine minimale Anzahl an Komponenten. Ein weiterer großer Vorteil besteht in der deutlich schnelleren Reaktionszeit im Vergleich zu konventionellen Systemen. Ein wesentlicher Beitrag zur kurzen Zykluszeit ist die nahezu völlige Eliminierung des „Totbandes“. Der elektrische Servoantrieb bewegt sich weitaus früher und schneller als pneumatische Antriebe. Dadurch kann die Maßnahme zur Vermeidung des Kompressor-Druckstoßes schneller durchgeführt werden. Dies führt zu einem effizienteren Betrieb, indem der Betriebsbereich des Kompressors nahezu völlig ausgenutzt wird, Druckabfälle reduziert und das Risiko für Schäden am Kompressor verringert werden.

Neben der präziseren Steuerung ist der elektrische Antrieb außerdem leichter als eine pneumatische Lösung. Der Installations- und Wartungsaufwand fällt deutlich geringer aus, hinzu kommen umfassende Diagnosemöglichkeiten. Die zugehörigen Diagnosedaten bilden eine Grundlage für die vorausschauende Instandhaltung. Zusammen mit Asset-Management-Systemen ermöglicht intelligente Diagnose eine verbesserte Kontrolle der Gesamtbetriebskosten. Dies ist der erste Schritt auf dem Weg zur Digitalisierung der ASCVs. Die Leistungsdaten der ASCVs sind global miteinander vergleichbar. So lassen sich Richtgrößen für Kompressoranlagen erstellen und deren Erträge verbessern.

Festo und CCC (Compressor Controls Corporation) arbeiten eng zusammen an der Weiterentwicklung und Integration von Steuerung und Antrieb für einen optimalen Schutz vor Druckstößen und weiter verbesserten Prozesseffizienz. Die Integration des Servoantriebs von Festo mit den Steuerungssystemen von CCC ermöglicht einen größeren Arbeitsbereich der Kompressoren bei gleichbleibend stabilem und effektivem Druckstoß-Schutz. Der Antrieb steht jedem OEM oder Anwender in Kombination mit jeder ASCV-Marke zur Verfügung und/oder (in Zukunft) mit anderen Anwendungen, wie ESD-Ein-/Ausschaltventilen.

Zur Festo-Homepage.

 

Heftausgabe: Februar/2019
Ansgar Kretschmer, Redaktion

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