Kavitation ist ein gängiges Problem, das negative Auswirkungen auf Effizienz und Zuverlässigkeit von Pumpen haben kann. Danfoss-Frequenzumrichter (VFD) verfügen über eine integrierte zustandsbasierte Überwachung (CBM), die neue Wege zur Erkennung und Vermeidung von Kavitation bei Pumpen bietet. Durch die Verwendung der Verfahrensweise „VFD as a Sensor“ (Frequenzumrichter als Sensor) und der Stromsignaturanalyse kann die Zustandsüberwachung kavitationsbedingte Fehler wirkungsvoll identifizieren, sowie potenzielle Schäden und Verschleißerscheinungen verhindern.
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Genau wie andere CBM-Funktionen, z. B. die Fehlererkennung an der Statorwicklung, wird auch die Kavitationserkennung jetzt als Bestandteil der CBM-Familie betrachtet. Das heißt, dass dieselbe CBM-Infrastruktur auch zur Implementation von Kavitationserkennungssystemen dient. Sogar in Frequenzumrichtern mit älteren CBM-Lizenzen lässt sich die Kavitationsüberwachung mittels Software-Upgrade nachrüsten.
Wie kommt es nun zur Kavitation und was macht sie zu einem Problem für Pumpensysteme?
Kavitation tritt auf, wenn rasche Druckänderungen in einem flüssigen Medium die Bildung dampfgefüllter Blasen verursachen. Diese Blasen können unter höherem Druck platzen und dadurch Stoßwellen erzeugen, die zu Grauflecken im Pumpenlaufrad führen. Dies führt zu beschleunigtem Verschleiß und schnellerer Erosion der Rotorblätter. Außerdem erzeugt das Platzen dieser Bläschen zusätzlich Lärm, Klopfgeräusche und Vibrationen, die den Wirkungsgrad der Pumpe durch eine Verzerrung des Strömungsprofils weiter verringern.
Die lokalen Implosionen der Kavitationsbläschen können auch die chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit verändern, freie Radikale erzeugen, Oxidation verursachen und chemische Verbindungen zersetzen. Obwohl diese Effekte nur in geringen Mengen auftreten, führen sie zu Veränderungen der Produktqualität – ein wichtiger Faktor in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie beziehungsweise in der Öl- und Gasindustrie.
Wichtig ist, dass Kavitation auch andere Systemkomponenten beeinträchtigen kann, die sich in Kontakt mit schnell fließenden Flüssigkeiten befinden. Dazu gehören Rohrleitungssysteme, Pumpenkomponenten, Motorengehäuse, Zylinderbuchsen, HEX-Komponenten und Wasserturbinenteile. Die frühzeitige Erkennung von Kavitation in der Pumpe kann also zusammen mit schnellen Abhilfemaßnahmen die Lebensdauer eines ganzen Komponentensystems schützen und verlängern.
Die Erkennung und Vermeidung der Kavitation ist entscheidend dafür, die Pumpenleistung aufrecht zu erhalten und kostspielige Schäden zu vermeiden. Die zustandsbasierte Überwachung in Form eines integrierten CBM im Frequenzumrichter bietet hierfür eine wirksame Lösung. Die Kavitationserkennung erfolgt mithilfe der Stromsignaturanalyse im Frequenzumrichter, einer sensorlosen Erkennungsmethode. Die Kavitation erzeugt Turbulenzen, die zu hörbaren Geräuschen führen und eine unverwechselbare Signatur im Motorstrom verursachen. Diese Turbulenzen spiegeln sich im Motorstrom wider und werden vom Algorithmus der zustandsbasierten Überwachung erkannt.
Der Algorithmus vergleicht die aktuell vorliegende Kavitationssignatur mit benutzerdefinierten Schwellenwerten. Wenn die Werte die festgelegten Grenzwerte über eine vorbestimmte Zeitdauer überschreiten, wird das Ereignis als Kavitation gekennzeichnet.
Die zustandsbasierte Überwachung bietet im Hinblick auf Kavitationsvermeidung entscheidende Vorteile. Dank der permanenten Überwachung mit einer in die Danfoss-Frequenzumrichter integrierten zustandsbasierten Überwachung (CBM) lässt sich Kavitation frühzeitig erkennen und vermeiden. Dies ist eine kostengünstige Lösung, deren Leistung auf dem Niveau herkömmlicher Methoden liegt, die auf externen Sensoren wie Schall-, Vibrations- oder Drucksensoren basieren. Die Vermeidung von Pumpenverschleiß und Beschädigungen aufgrund von Kavitation trägt zur Optimierung der Produktivität und zur Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten bei. Dadurch wird es auch möglich, eine prädiktive Wartung durchzuführen, die letztendlich zu einer Reduzierung der Service- und Austauschkosten führt.
Kavitation ist eines der größten Probleme, wenn es um die Pumpenleistung geht. Mit der direkt in den Frequenzumrichter integrierten zustandsbasierten Überwachung bieten wir unseren Kunden eine proaktive Möglichkeit zur Früherkennung von Problemen, noch bevor diese zu Schäden führen. Dies ist intelligenter, einfacher und weitaus kostengünstiger, als sich auf herkömmliche, sensorbasierte Methoden zu verlassen.
Zur Vermeidung von Kavitation lässt sich der Volumenstrom über eine langsame, schrittweise Verringerung der Pumpendrehzahl reduzieren. Die Zustandsüberwachung ermöglicht dies mithilfe einer Vermeidungsfunktion. Bei Erkennung einer Kavitation wird die Motordrehzahl automatisch innerhalb vordefinierter Grenzen verringert. Ist die Kavitation erfolgreich vermieden, lässt sich die Funktion so konfigurieren, dass sie entweder die zuletzt benutzte Drehzahl beibehält, die die Kavitation verhindert hat, oder schrittweise versucht, zum ursprünglichen Drehzahlsollwert zurückzukehren – bei kontinuierlicher Überprüfung, ob die Kavitation inzwischen beseitigt ist. Zusätzlich liefert die Funktion alle Statusinformationen, die erforderlich sind, um den Frequenzumrichter als Standalone-Einheit zu betreiben oder mit einer SPS in das übergeordnete Prozessregelsystem zu integrieren. Standardmäßig ist die Vermeidungsfunktion deaktiviert. Die Entscheidung, sie je nach den benutzerspezifischen Bedürfnissen zu aktivieren oder nicht, liegt beim Benutzer.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vermeidung von Kavitation bei Pumpen für die Beibehaltung des Pumpenwirkungsgrads sowie zur Reduzierung möglicher Schäden und Verschleißerscheinungen hochrelevant ist. Die zustandsbasierte Überwachung bietet mit hochmodernen Techniken wie der Stromsignaturanalyse eine zuverlässige, kostengünstige Lösung zur Erkennung und Vermeidung von Kavitation. Durch die Einführung zustandsbasierter Überwachungssysteme können Industrieprozesse von verbesserter Produktion, längerer Lebensdauer der Komponenten und reduzierten Wartungskosten profitieren – was letztendlich zu einem reibungsloseren und zuverlässigeren Betrieb führt.
Die Edge-Computing-Lösung, die durch die Verarbeitung der Prozessdaten im Frequenzumrichter schnellere Erkenntnisse ermöglicht, erfasst mehrmals pro Sekunde Daten. Dies gewährleistet, dass alle außerhalb des Normalbereichs liegenden Messwerte schnell und rechtzeitig eine Warnung auslösen. So wird das Risiko unbemerkter Anomalien minimiert.
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Pumpenkavitation tritt auf, wenn rasche Druckabfälle im Innern einer Pumpe die Bildung von Dampfbläschen verursachen, die anschließend implodieren. Dies führt zu Grauflecken im Pumpeninnern und den Pumpenlaufrädern, Geräuschen, Vibrationen und beschleunigtem Verschleiß an Laufrädern und anderen Komponenten. Ist die Kavitation nicht unter Kontrolle, kann sie die Effizienz verringern, Ausrüstungen beschädigen und die Lebensdauer des Systems verkürzen.
Danfoss-Frequenzumrichter nutzen die Stromsignaturanalyse zur Erkennung der Kavitation. Wenn die Kavitation Turbulenzen in der Pumpe verursacht, erzeugt sie ein einzigartiges Schwankungsmuster des Motorstroms. Der Frequenzumrichter analysiert dieses Signal und vergleicht es mit den Baseline-Werten. Wenn die Abweichung die benutzerdefinierten Schwellenwerte überschreitet, meldet der Frequenzumrichter ein Kavitationsereignis – ohne dafür externe Sensoren zu benötigen.
Herkömmliche Methoden verlassen sich auf externe Sensoren wie Mikrofone, Beschleunigungsmesser oder Druckmesswandler. Die CBM-Lösung von Danfoss ist im Gegensatz dazu vollständig in den Frequenzumrichter integriert und nutzt die interne Datenverarbeitung. Sie ist kostengünstiger, einfacher zu warten und ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung ohne zusätzliche Hardware.
Die integrierte Vermeidungsfunktion verringert automatisch die Pumpendrehzahl innerhalb voreingestellter Grenzwerte, um Kavitation zu verhindern. Nach Beseitigung der Kavitation kann der Frequenzumrichter entweder die neue Drehzahl beibehalten oder versuchen, zum ursprünglichen Drehzahlsollwert zurückzukehren. Dabei wird kontinuierlich überwacht, ob die Kavitation wiederkehrt.
Durch die Früherkennung von Kavitation und die automatische Betriebsanpassung trägt die zustandsbasierte Überwachung dazu bei, Schäden zu verhindern, Wartungskosten zu senken und die Lebensdauer der Pumpe und des Systems zu verlängern. Sie unterstützt auch vorausschauende Wartungsstrategien und trägt zur Verbesserung der Prozessverfügbarkeit bei.
Branchen, in denen betriebskritische Pumpsysteme arbeiten – wie die Wasser- und Abwasserindustrie, die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die Öl- und Gasbranche sowie die chemische Industrie –, ziehen den größten Nutzen daraus. Die Kavitationserkennung ist an entfernten oder schwer zugänglichen Standorten, an denen herkömmliche Inspektionen zu spät kommen oder umständlich sind, besonders nützlich.