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Kompressorumbau

Kapazitätssteigerung für eine bestehende Kolbenkompressoranlage

 

Aufgrund neuer oder erweiterter Prozessanforderungen fragen Betreiber bei NEUMAN & ESSER (NEA) Kompressorüberprüfungen und Anpassungen an. Kolbenkompressoren für den Prozessgasbereich sind in der Regel maßgeschneidert und für festgelegte Betriebsbedingungen und eine bestimmte Leistung optimiert. Ein Umbau bietet die Möglichkeit, die Kompressoranlage, trotz veränderter Anforderungen, optimal zu nutzen. Bei einer wesentlichen Änderung müssen allerdings die Vorgaben der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der Richtlinie 94/9/EG (ATEX) beachtet werden.

Ein Beispiel zeigt, wie ein Kompressorumbau vonstattengeht: Im Jahr 2003 lieferte NEA eine Kolbenkompressoranlage der Größe 2SZL320H an eine Raffinerie in Ost-Europa zur Entschwefelung. Die Anlage komprimiert Wasserstoff von 28 bar Saug- auf 85 bar Förderdruck. Der Kolbenkompressor ist zweikurbelig, horizontal, zweistufig, doppeltwirkend, geschmiert und hat 530 kN zulässige Stangenbelastung. Der Verdichter wird durch einen starr gekuppelten E-Motor mit einer Nennleistung von 1.700 kW angetrieben. Die ursprüngliche Liefermenge betrug ca. 33.000 Nm3/h bei einer Saugtemperatur von -5 °C. Der NEA-Lieferumfang des gesamten Verdichters beinhaltete die Pulsationsdämpfer, den Kühler und Abscheider der Zwischenstufe bis hin zum Sicherheitsventil der letzten Stufe. Nach nur fünf Jahren erfolgreichen Betriebes stieg der Bedarf an Wasserstoff aufgrund der Vorgaben für schwefelarme Brennstoffe.

Überprüfung der Machbarkeit eines Umbaus

Zunächst wird der vorhandene Kolbenverdichter entsprechend den originalen Betriebsverhältnissen bzw. aufgenommenen Betriebsparametern neu berechnet. Das schließt mechanische und leistungsbezogene Schwierigkeiten aus. Danach wird eine Berechnung anhand der neuen Betriebsbedingungen durchgeführt unter Berücksichtigung der wichtigsten Parameter wie Maße, Material, Gewicht und Belastung. In dem Beispiel konnte der vorhandene Verdichter die neu definierte Leistung nicht erreichen. In einem nächsten Schritt erfolgt eine Vorabprüfung, um festzustellen, ob der Verdichter überhaupt an die neuen Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Erst nach positiver Prüfung wird eine Engineering- Studie durchgeführt. Um die optimale Lösung für den Verdichterumbau zu finden, werden die Umbaumöglichkeiten in einer Auswertematrix zusammengefasst (Tabelle 1). Diese Matrix zeigt einerseits die technischen Optionen und andererseits die Merkmale des Projekts. Entsprechend den Vorstellungen des Kunden werden die Projektmerkmale bewertet.

Kompressorberechnung

Die Studie beginnt damit, dass die Kompressorparameter zu Belastung, Maße und Gewicht im NEA-Auslegungstool KO3 (Kompressor-Optimierung Version 3) geprüft werden. In Bild 1 ist die Eingabemaske für die Basisdaten eines Kolbenkompressors dargestellt. Hier sind alle aktuellen sowie alten NEA-Baugrößen aufgeführt. Für andere Fabrikate wird ein ähnlicher

NEA-Verdichter gewählt. Die Kompressorparameter müssen dann entsprechend angepasst werden. Die Datenbank wird permanent erweitert. Für die thermodynamische Berechnung müssen Gasanalyse, Saugdruck, Saugtemperatur, Enddruck sowie die geforderte Liefermenge für den jeweiligen Fall oder Prozess definiert sein. Um die erforderliche Leistung zu erreichen, werden die Verdichterparameter modifiziert. Zur Leistungserhöhung eines Kolbenkompressors gibt es folgende Möglichkeiten, die entsprechend ihrer Durchführbarkeit geprüft und bewertet werden (+ oder -):

  • Möglichkeit 1: Saugdruckerhöhung - Saugdruck konnte wegen der Prozessbedingungen nicht erhöht werden.
  • Möglichkeit 2: Drehzahlerhöhung - Wegen des direkt gekoppelten Antriebs ist die nächst höhere Asynchronmotordrehzahl nicht möglich, da die zulässige mittlere Kolbengeschwindigkeit überschritten würde. Außerdem beinhaltet eine Drehzahlerhöhung stets ein gewisses Risiko in Bezug auf Vibration und Zusatzbelastung des Fundaments.
  • Möglichkeit 3: Vergrößerung des Zylinderdurchmessers - Aufgrund der Betriebsbedingungen und der zulässigen Stangenbelastungen ist es nicht möglich, nur durch Vergrößerung des Zylinderdurchmessers die geforderte Liefermenge zu erreichen.
  • Möglichkeit 4: Vergrößerung des Verdichterhubs + Eine Vergrößerung des Hubs war infolge der Auslegung des Triebwerks möglich.
  • Möglichkeit 5: eine Kombination der verschiedenen Alternativen + Da die erforderliche Leistung durch einen neuen Hub allein realisiert werden kann, ist eine Kombination aus Hub- und Zylinderdurchmesservergrößerung nicht erforderlich und würde lediglich die Kosten erhöhen.
  • Möglichkeit 6: Installation eines parallel laufenden Zusatzverdichters - Es gibt keinen Platz für einen weiteren Verdichter.

Für dieses Beispiel lautete die Schlussfolgerung also: Eine neue Kurbelwelle mit größerem Hub würde die Forderungen des Kunden innerhalb der zulässigen Verdichtergrenzen erfüllen. Kolben und Kolbenstange mussten wegen der Lauflänge der vorhandenen Zylinder ausgetauscht werden. Die Zylinder blieben unverändert; somit konnte die gesamte Anordnung der Anlage beibehalten bleiben.

Eine geringfügige Änderung des Verdichterhubs hat normalerweise keinen wesentlichen Einfluss auf die Ventildynamik. Dennoch kam es zu Ventilproblemen und Liefermengenverlusten. Bild 2 zeigt die Berechnung der Originalbefederungsauslegung der Ventile. Man erkennt sofort das späte Schließen des Saugventils durch Ölklebeeffekte. Dadurch reduzierte sich die Liefermenge und die Aufprallgeschwindigkeit erhöhte sich.

Zusammen mit dem Ventilhersteller wählte NEA eine neue Ventilbefederung. In Bild 3 ist die Ventildynamik mit der neuen, stärkeren Auslegung der Ventilfedern zu sehen. Das Saugventil schließt nun eher und ist am unteren Totpunkt geschlossen; die Liefermenge ist korrekt. Die Ventilgröße konnte unverändert bleiben; die Innenteile mussten jedoch den neuen Betriebsbedingungen angepasst werden.

Mechanische Eigenschaften, Stangenbelastungen, Lagerberechnungen

Nach der Thermodynamik und den Ventilen werden die mechanischen Eigenschaften des Kompressors geprüft. Damit alle auftretenden Kräfte innerhalb der zulässigen Belastungsgrenzen liegen, werden für die Auslegung des Verdichters die Massenkräfte, die Gaskräfte sowie die kombinierten Kräfte (=Stangenkräfte) berücksichtigt. Mit einem Balkendiagramm (s. Bild 4) vermittelt das Auslegungsprogramm KO3 einen schnellen Eindruck der aktuellen Belastungssituation der jeweiligen Stange.

KO3 verfügt über ein elasto-hydrodynamisches Tool (EHD) zur Berechnung der Lagerhydrodynamik. Die Bewertung der Ergebnisse ist sehr einfach, da man nur den maximalen hydrodynamischen Druck und die minimale hydrodynamische Filmdicke mit den festgelegten Grenzwerten vergleicht (Bild 5 und Bild 6). Die EHD-Analyse des Kreuzkopflagers in Bezug auf hydrodynamischen Druck und minimaler Ölfilmdicke ergab keine kritische Lagerbelastung für diesen Umbau.

Die Vergrößerung des Kurbelwellenhubs kann höhere Belastungen in Form von Biegung und Torsion erzeugen, was in Dauerfestigkeitstests überprüft wird. Die Biegebelastung blieb im moderaten Bereich und die Kurbelwelle stabil, so dass keine weitere Design-Anpassung notwendig war, wie zum Beispiel der Einsatz von höherwertigen Materialien, Erhöhung des Ausrundungsradius oder sogar des Zapfendurchmessers.

Auch die Zubehörteile wie Hauptmotor oder die Antriebsstrang-Komponenten müssen einer genauen Analyse unterzogen werden. Die verlangte Verdichterleistung muss durch die vorhandene Motorleistung gedeckt sein oder der vorhandene Motor muss durch einen größeren ersetzt werden. Die derzeit gültige API 618 Rev. 5 fordert ausreichend Motorleistung bei Sicherheitsventilansprechdruck je Stufe und inklusive einem Sicherheitszuschlag von 5 Prozent.

Management der Produktsicherheit

Laut der Richtlinien 2006/42/EC und 94/9/EC (ATEX) ist bei „wesentlichen Änderungen“ eine Herstellerbescheinigung für die geänderten Komponenten erforderlich. Die Betreiberfirma muss die Konformität entsprechend der Maschinenrichtlinie und ATEX für die gesamte Betriebszeit garantieren. Dies ist auch für gebrauchte Maschinen nach einem größeren Umbau unbedingt erforderlich. Im Fallbeispiel wurde mit einer neuen Kurbelwelle und größerem Hub eine Leistungssteigerung gegenüber den ursprünglichen Betriebsbedingungen erreicht. Neue Kolben und Kolbenstangen wurden ausgelegt, um den größeren Hub umzusetzen. Das Kurbelgehäuse und die anderen Einbauten des Antriebsmechanismus blieben unverändert; ebenso die Zylinder der 1. und 2. Stufe. Die weiteren Verdichterparameter wie Drehzahl und Zylinderbohrung blieben identisch zur Ursprungsauslegung.

Um den Verdichter bei hohem Saugdruck und niedriger Saugtemperatur fahren zu können, musste der Antrieb erneuert werden. Das Ölsystem, das Steuerungssystem und die anderen Teile wurden bereits bei der Installation des Verdichters im Jahr 2004 ATEX-zertifiziert und mussten nicht geändert werden. Das dezentrale Steuerungssystem sowie die Sicherheitsinstrumentierung konnten beibehalten, nur die Einstellpunkte der Instrumentierung mussten angepasst werden.

Bei einer Modernisierung bzw. Umbaus ist eine Risikobewertung erforderlich. Bei kleineren Arbeiten oder Umbauten reicht eine technische Arbeitsbeschreibung und Kontrolle nach dem „Vier-Augen-Prinzip“. Bei Umbauten mit wesentlichen Änderungen ist eine Engineering-Studie und eine Herstellererklärung notwendig. In beiden Fällen ist eine systematische und gezielte Anfertigung einer technischen Dokumentation obligatorisch.

Am Ende eines Umbaus ist eine Konformitätserklärung des Herstellers für wesentliche Änderungen unerlässlich, wie in der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG und der Richtlinie 94/9/EC (ATEX) gefordert oder einen ausführlichen technischen Bericht, mit der Begründung, warum es sich nicht um eine wesentliche Änderung handelt. Aufgrund der Tatsache, dass viele Kolbenkompressoren seit Jahrzehnten laufen und auch noch weitere Jahrzehnte laufen werden, ist die Modernisierung eine gute Möglichkeit, um sie an aktuelle technische Spezifikationen und Prozessbedingungen anzupassen. Mit der richtigen technischen Unterstützung durch einen Kompressor-OEM, kann der Kolbenverdichter für den Langzeitbetrieb und sich ändernde Anforderungen angepasst und optimiert werden.

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