Problem erkannt, Gefahr gebannt

Unterstützung der Maschinendiagnose durch den Einsatz von wissensbasierten Systemen

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11.09.2013 Bei der traditionellen Vorgehensweise der Maschinen­diagnose werden hochqualifizierte Fachleute benötigt, die ihren Arbeitstag damit verbringen, zu entscheiden, ob sich der Maschinenzustand verändert hat. Basis für diese Aussage bildet hierbei eine große Menge von Diagrammen, wie zum Beispiel Trends, Orbits, Spektren, Wellenpositionen, Phasenlagen etc.  

Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Dem Manko der traditionellen Maschinendiagnose will die automatische Analyse der Schwingungs- und
  • Prozessdaten mittels wissensbasierter Systeme entgegenwirken.
  • Bei der wissensbasierten Maschinendiagnose erhält der Fachmann zusätzlich zur Alarmierung eine Aussage vom System, was die Störung verursacht hat und was getan werden kann, um zu einem sicheren Betriebspunkt der Maschine zurückzukehren, bei dem die Belastung der Maschine wieder im Auslegungsbereich liegt.
  • Eine Konzentration auf die wirklich gravierenden Problemfälle ist somit ohne Weiteres möglich.

Die in diesen Diagrammen aufgedeckten Veränderungen in den Schwingungsdaten müssen dann noch mit den Veränderungen der Prozessparameter korreliert werden. In den meisten der Fälle – rund  95 % – kommt der Fachmann zu dem Schluss, dass sich am Maschinenzustand nichts verändert hat. Nur in etwa 5 % der Fälle findet sich eine Veränderung. Weiter erschwert wird das Durchführen der präventiven Diagnose durch Maschinen mit Problemen (ein Alarm wird ausgelöst). Dann muss sich der Experte um diese Problemmaschine kümmern, die präventive Diagnose steht hinten an.
Diesem Manko will nun die automatische Analyse der Schwingungs- und Prozessdaten mittels wissensbasierter Systeme entgegenwirken. Der Maschinendiagnostiker wird nur noch in den 5 % der Fälle automatisch vom Maschinendiagnosesystem alarmiert, in denen eine Abweichung vom „Gut-Zustand“ festgestellt wurde. Zusätzlich zur Alarmierung erhält der Fachmann eine Aussage vom System, was die Störung verursacht hat und was getan werden kann, um zu einem sicheren Betriebspunkt der Maschine zurückzukehren bei dem die Belastung der Maschine wieder im Auslegungsbereich liegt.

Maschinen- und  Problembeschreibung
Eine Konzentration auf die wirklich gravierenden Problemfälle ist somit ohne Weiteres möglich. So können beispielsweise zeitgerecht Entscheidungen getroffen werden, ob eine Maschine mit Problemen weiterbetrieben werden darf oder nicht.
Bei der untersuchten Maschine handelt es sich um eine Zwei-Wellen-Gasturbine, die einen Kompressor antreibt. Die Betriebsdrehzahl der Gasturbine liegt bei 10.500 1/min.
An dem Maschinenzug treten an Lager B immer wieder erhöhte Schwingungswerte auf, die sogar im Verlauf von sieben Wochen den Abschaltwert des Maschinenschutzes (3,8 mil oder 71 µm) erreichen und somit zum automatischen Abtouren der Maschine führen.
An dieser Maschine ist ein permanentes Datenerfassungssystem installiert, das alle Daten – auch Prozessdaten wie Temperaturen – aufzeichnet. Nach der herkömmlichen Methode der Diagnose wurde der Maschinediagnostiker des Maschinendiagnose-Service von Bently Nevada benachrichtigt, sobald der Alarmwert überschritten war.  Er hat per Ferneinwahl die Daten analysiert und hat Folgendes vorgefunden: Das Datenerfassungssystem hat den Trendverlauf der direkten Schwingungsamplitude an Lager B aufgezeichnet.

Was war die Ursache?
Bei der Diagnose dieses Maschinenproblems wurde zunächst festgestellt, dass es beim Betrieb der Maschine immer wieder Perioden gab, in denen das Schwingungsniveau auf stark erhöhte Werte ansteigt und andere Perioden, in denen das Schwingungsniveau auf den ursprünglichen Wert zurückfällt.
Um nun herauszufinden, was der Grund hierfür ist, wurde erst einmal der Orbit von diesen beiden Zuständen des Lagers B miteinander verglichen. In Bild 1 sind zwei Orbits zu sehen. Das linke ist zu einem Zeitpunkt gemessen worden, als die Summenschwingung unter dem Alarmwert liegt, das rechte wurde eine Minute später aufgezeichnet. Der Summenschwingungspegel lag hier über dem Alarmwert.
Es zeigen sich stark erhöhte Amplituden, und subharmonische Komponenten sind im Orbit erkennbar. Anhand des Zeitsignals lassen sich die subharmonischen als ein Drittel drehfrequent identifizieren. Beim Betrachten der statischen Wellenlage im Lagerspiel wird deutlich, dass sich der Wellenmittelpunkt im Betrieb der Maschine in die Mitte des Lagers bewegt, das Lager ist in diesem Zustand nicht richtig belastet. Die Exzentrizität sinkt auf sehr niedrige Werte ab und kann somit die hier beobachteten Phänomene zeigen.

Im Handumdrehen zum Ergebnis
Anhand der gewonnenen Erkenntnisse kann man problemlos auf eine strömungserregte Instabilität als Ursache für die erhöhten Schwingungswerte schließen. Aufgrund von Spektren und Zeitsignalen hat sich diese Diagnose bestätigt.
Im Anschluss an diesen Vorfall wurde auf dem
Computer ein wissensbasiertes System (Decision Support) installiert, das eine computergestützte automatische Maschinendiagnose der aufgezeichneten Daten durchführte. Das wissensbasierte System hat nach 2 min die Daten als eine strömungserregte Instabilität diagnostiziert.
Durch diese Diagnose ist zwar das Symptom erklärbar geworden, aber eine Lösung noch nicht gefunden, die einen sicheren Betrieb gewährleistet. Daher wurden noch weitere Analysen der aufgezeichneten Daten durchgeführt, um nach möglichen Korrelationen zu suchen. Hierbei wurde eine Korrelation zwischen den hohen Schwingungswerten in Lager B und der statischen Wellenlage in Lager C gefunden. Wenn die Spaltspannung bei -8,1 V liegt, so ist die Summenschwingung niedrig; wenn nun die Spaltspannung auf -8,3 V sinkt, so steigt die Summenschwingung in Lager B an. Durch die Veränderung der Wellenposition in Lager C wird das danebenliegende Lager B in die Mitte gezwungen. Dies ermöglicht wiederum die strömungserregte Instabilität.
Aber auch diese Erkenntnis ermöglicht es noch nicht, die Maschine so zu fahren, dass sich ein sicherer Zustand einstellt. Bei einer fortgeführten Analyse hat sich eine weitere Korrelation gezeigt. Vergleicht man die Abgastemperatur der Gasturbine mit den Schwingungen, so ist auch hier eine eindeutige Abhängigkeit zu sehen.

Programmfehler werden verhindert
Das Erkennen dieser Korrelation ermöglicht es nun, die Gasturbine in einem sicheren Betriebszustand zu betreiben. Dem Betreiber muss nur die Anweisung gegeben werden, dass er den aktuellen Betriebszustand beibehalten kann, aber die Abgastemperatur auf über 700 °C zu erhöhen ist. Um nun in Zukunft die Fachleute in diesem speziellen Fall nicht mehr zur Diagnose heranziehen zu müssen, ist es möglich, diese Korrelation mit Hilfe von Rule Desk in das wissensbasierte System als sogenannte „maschinenspezifische Regel“ mit einzubinden. Diese Regeln können einfach über drag und drop erzeugt werden und müssen nicht manuell eingegeben werden. Die erforderliche Funktion wird durch das Programm automatisch erzeugt. Dies verhindert Programmfehler beim Anlegen von Regeln.
In dieser Regel wird das Ergebnis der Maschinendiagnose von Decision Support verwendet und mit der Abgastemperatur und der Amplitude der subharmonischen Schwingung verknüpft. Dem Betreiber wird dann durch diese Regel die Meldung auf den Bildschirm ausgegeben.
Fazit: Als Ergebnis der Maschinendiagnose kann Folgendes zusammengefasst werden. Bedingt durch die Bauform der Gasturbine kommt es bei einer Abgastemperatur von weniger als 700 °C  durch thermische Dehnung zu einer Verschiebung des Lagers C. Diese wiederum hat zur Folge, dass der Wellenzapfen in der Lagerstelle B in die Mitte des Lagerspiels geschoben wird, was zu einer strömungserregten Instabilität des Lagers B und zu hohen Schwingungsamplituden sowie zur Zerstörung des Lagers B führt. Durch Änderung der Abgastemperatur ist es möglich, diese Verlagerung in der Lagerstelle B zu verhindern und somit einen sicheren und dauerhaft zulässigen Betriebszustand zu erreichen.
Diese Empfehlung wird von dem Maschinendiagnose-System an das Bedienungspersonal gegeben, und so können selbst neue Mitarbeiter richtig reagieren und Schäden an der Maschine verhindern wie auch die Ausfallzeiten der Maschine reduzieren.

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Heftausgabe: September 2013
Dr. Thomas Kafka, GE Sensing & Inspection Technologies

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Dr. Thomas Kafka, GE Sensing & Inspection Technologies
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