14. Pumpen-Forum 2016 Warum auch smarte Pumpen Planer und Bediener brauchen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

„News to Use“: Fachmedien berichten bevorzugt über neue Produkte und deren Features – das ist sozusagen deren Kern-DNA. Die brandneue Pumpe wird auf dem jährlichen Pumpen-Forum der Fachzeitschrift Process ebenfalls präsentiert – primär geht es aber um die Erfahrungen mit bereits installierten Pumpen. Spannend sind stets Antworten auf die Frage: Warum fällt die Pumpe eigentlich aus?

Anbieter zum Thema

Impressionen von den Förderprozess-Foren 2016: volle Reihen, spannende Exponate und eine „sportliche“ Abendveranstaltung mit Tischkicker-Turnier
Impressionen von den Förderprozess-Foren 2016: volle Reihen, spannende Exponate und eine „sportliche“ Abendveranstaltung mit Tischkicker-Turnier
(Bild: PROCESS)

Wer Pumpen betreibt, muss sich mit mancher Unschärfe abfinden: Bei Werkstoffen wird ein Abtrag von 0,1 mm pro Jahr als „chemisch beständig“ bezeichnet. Eine Gleit­ringdichtung ist mitnichten dicht, eine Leckage von einem Gramm in der Stunde ist normal. Wer auf die Idee kommt, eine Stopfbuchs­packung wirklich fest zu stopfen, muss schon bald mit dem Ausfall der Pumpe rechnen. Eine CIP/SIP-„geeignete“ Pumpe ist nach dem Reinigungslauf keineswegs „hygienisch sauber“. Und auch die „selbstansaugende“ Pumpe sollte in aller Regel mit Medium befüllt sein, bevor sie gestartet wird.

Das waren die Referenten des 14. Pumpen-Forums:

Förderprozess-Foren 2016: Die Referenten des 14. Pumpen-Forums
Bildergalerie mit 16 Bildern

Wie ein roter Faden zog sich die Forderung nach einem gut ausgebildeten Pumpen-Bediener durch die Vorträge und Diskussionen des Pumpen-Forums. Die Realität sieht aber offenbar anders aus – überall werde bei den Betreibern Pumpen-Personal eher heruntergefahren, hieß es. Das ist keine gute Entwicklung, erfordert doch bereits die Auswahl einer geeigneten Pumpe vertieftes Know-how, und das Fördermedium hat dabei ebenso wie die Förderumgebung höchste Priorität.

Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker (Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik, Universität Erlangen-Nürnberg, neuer Moderator des Pumpen-Forums) in seiner Eröffnung: „Je komplexer das Medium, desto schwieriger ist die Pumpenauswahl und deren Auslegung!“ Zudem sei zu beachten, in welchem System die Pumpe agieren müsse: „Passt das System nicht zum Fördergut, oder entstehen Wechselwirkungen, sind Schwierigkeiten zu erwarten!“

Andreas Eiletz (EagleBurgmann) beschrieb, dass auch die Gleitringdichtung ein System sein kann – wenn sie gekühlt oder auch beheizt wird, wenn Filter einzusetzen sind usw. Im Plenum kam die Frage auf, wer als Betreiber wohl den vom Hersteller ausgewiesenen „bestimmungsgemäßen Betrieb“ der GLRD kenne?

Impressionen von den Förderprozess-Foren 2016:

Impressionen von den Förderprozess-Foren 2016
Bildergalerie mit 51 Bildern

Zu den schwierigen Fördergütern zählt Schlücker neben superkritischen Fluiden – sie können leicht verdampfen - auch abrasive oder empfindliche Suspensionen: Sie sedimentieren und verursachen Verschleiß oder sind schonend zu fördern. „Wer dabei noch die Lebensdauer der Pumpe und ihre sichere Funktion im Auge behalten muss, hat bei der Pumpenauswahl keine leichte Aufgabe.“ Denn die Problematik des inneren Leckstroms, Fragen der Schmierfähigkeit und die chemische Beständigkeit wie auch die Art der Viskosität beeinflussen neben der Eignung einer Pumpe auch deren Lebensdauer und Energieeffizienz.

Und schließlich erzeuge jede Pumpe eine gewisse Dynamik, die sich im System entwickeln und sehr schädlich auf die Pumpe zurückwirken kann („Alles schwingt, sobald Energie in einem System wirkt!“). Schlücker ist da in seiner Einschätzung sehr klar: Es gebe stets eine Verschleiß-Tieflage – sie werde aber nie zu null. Verschleiß kann also lediglich minimiert, niemals verhindert werden.

Gesucht: der praxisorientierte Pumpenschlosser

Auf dieser Gewissheit basiert das Geschäftsmodell von Pumpentechnik Bass: Die Spezialisten dieses Dienstleisters reparieren Jahr für Jahr rund 4000 Industriepumpen. Stefan Leuchtenberger ging in seinem Vortrag darauf ein, wie man teure Reparaturen und Produktionsausfälle vermeiden kann – wohl wissend, dass sein Geschäft darunter nicht merklich leiden wird.

Das waren die Aussteller der Förderprozess-Foren 2016:

Die Aussteller der 4. Förderprozess-Foren 2016
Bildergalerie mit 29 Bildern

Nach wie vor die häufigsten Fehler: Trockenlauf und „Lauf im eigenen Saft“ (das ist u.a. deshalb gefährlich, weil hohe Temperaturen zur Verdampfung führen). Als Lösung empfiehlt Leuchtenberger die Installation eines induktiven Durchflussmessers IDM in der Druckleitung mit Abschaltpunkt für die Pumpe. „Die Top-Lösung ist ein IDM mit Mengenregelung durch einen Frequenzumrichter – das verzeiht auch Fehler bei der Auslegung von Pumpen.“ Das Anziehen von Packungen, bis diese absolut dicht sind, gilt ebenfalls als Fehler-Klassiker.

In der Großchemie beobachtet er, dass trotz der heute verfügbaren Überwachungsmöglichkeiten Pumpenschäden nicht zurückgehen. Das liege auch daran, dass intern Fachleute abgebaut werden. Und Maschinenbauer würden oft durch E-Techniker ersetzt. Sein Fazit: „Qualifiziertes Personal ist unabdingbar, sollen Pumpenschäden verringert werden!“ Ein Ausbildungsberuf zum „Pumpenschlosser“ sei dringend erforderlich.

Auch als Dienstleister ist Leuchtenberger davon überzeugt, dass jeder Betreiber intern Know-how vorhalten sollte. Doch bereits die Know-how-Übergabe von alt zu jung finde immer seltener statt. Eine Schwachstellenanalyse sei anzuraten, um „Profit-Killer zu identifizieren und zu beseitigen!“ Und nicht zuletzt ist Leuchtenberger überzeugt: „Hören – Sehen – Fühlen: Das ist noch immer wertvoller als eine App auf dem Smartphone!“

„Digitalisierung ohne Kundennutzen bringt nichts!“

Rainer Schmitz (Grundfos) sieht das vermutlich differenzierter, er berichtete über die Chancen der „intelligent connectivity“ moderner Pumpen. Seine Einschätzung: Pumpensysteme ohne Sensoren und ohne Kommunikationsmöglichkeiten werden rasch und deutlich an Marktrelevanz verlieren. Eine wichtige Aufgabe sieht er darin, die vielfältig generierten Daten gezielter als bislang zu verwerten: „Digitalisierung ohne Kundennutzen bringt nichts!“

Konsequenterweise sieht Schmitz die Cloud nicht allein als Speicherplatz, sondern auch als Analyse-Tool. Sein Team arbeitet derzeit an einer modularen Cloud-Lösung für OEM. Bei aller Euphorie bleibt Schmitz realistisch: Auch die digitale Welt werde nicht an einem einzigen Tag erschaffen. Praxisgerecht sei es, beim Thema Digitalisierung zuerst Leuchtturm-Projekte zu definieren und zu realisieren. Er rät, damit zügig zu starten. „Und vergessen Sie bei der Digitalisierung hergebrachte Management- und Entscheidungsstrukturen. Was der Kunde ins Lastenheft schreibt, kann schon nach sechs Monaten Makulatur sein!“ Da müsse man sehr flexibel bleiben.

Wie sauber ist sauber?

Manfred Thamm (Bayer) hat in der Pharmaindustrie mit zusätzlichen Herausforderungen zu kämpfen: Um bei der Produktion von Arzneimitteln valide Herstellungsverfahren zu gewährleisten, wird höchster Wert auf die hygienegerechte Gestaltung und Reinigbarkeit von Anlagen und Apparaten gelegt.

Impressionen von der Abendveranstaltung der Förderprozess-Foren 2016:

Abendveranstaltung der Förderprozess Foren 2016
Bildergalerie mit 49 Bildern

Das gilt selbstverständlich auch für das Design der Pumpen, wobei die richtige Auswahl der Werkstoffe, die Einbaulage der Pumpen und nicht zuletzt die Erfordernisse der Anlage in ihren Förder- und Leistungsdaten äußerst wichtig sind. Hygienic Design für Pumpen bedeutet: Toträume vermeiden, Schattenbereiche umspülen, innere Radien sollten größer als drei Millimeter sein, Schrauben sind generell zu vermeiden.

Ein häufiges Missverständnis: „Ist eine Pumpe als CIP- und SIP-fähig deklariert, bedeutet das nicht, dass sie bei einer Reinigungsaktion im CIP-Prinzip sauber wird, sondern lediglich, dass die Pumpe ohne Zerlegung und Ausbau innerhalb der Anlage mitgereinigt werden kann!“ Das Reinigungsergebnis sei zu prüfen.

Für Thamm ist eindeutig: „Pumpen, die vorzeitig ausfallen, sind nicht richtig gewählt, nicht richtig repariert, nicht richtig montiert, werden nicht bestimmungsgemäß betrieben.“ Sehr wichtig sei, die Pumpe vor dem Anfahren mit Flüssigkeit zu füllen und gut zu entlüften. Auch die meisten so genannten selbstansaugenden Pumpen müssen mit Flüssigkeit gefüllt sein.

Bereits bei der Montage können die ersten Fehler gemacht werden, die bei der Inbetriebnahme zum Ausfall führen:

  • Rohrleitungen werden verspannt an die Pumpe angeschlossen, so dass sich das Gehäuse verzieht und Lagerspiele nicht mehr stimmen.
  • Pumpe und Motor werden schlecht ausgerichtet.
  • Schweißperlen, Sand, Rückstände etc. wurden nicht aus den Rohrleitungen entfernt und Anfahrsiebe fehlen. Sind Anfahrsiebe vorhanden, werden sie nicht gereinigt (führt zu Kavitation oder Trockenlauf).

Auch jedes Anfahren einer Pumpe ist ein kritischer Zustand:

  • Kreiselpumpen müssen gegen druckseitiges Ventil angefahren werden.
  • Seitenkanalpumpen und Verdrängerpumpen müssen dagegen mit geöffnetem druckseitigem Ventil angefahren werden.
  • Kreiselpumpen auf keinen Fall saugseitig regeln.
  • Es ist sicherzustellen, dass die Pumpe innerhalb ihrer Grenzen betrieben wird. Das heißt: Durchfluss- und Druckmesseinrichtungen beachten; Überwachungseinrichtungen nicht überbrücken.

Thamm: „Die meisten Ausfälle während des Betriebes werden durch Veränderungen des Fördermediums oder durch Veränderung der Verfahrensweise verursacht.“ Sein Plädoyer: Das Produktionspersonal muss über Grundkenntnisse zur Funktionsweise der Pumpen verfügen! „Sie sollten wissen, was zu Schäden führt!“

Verdränger sind besonders effizient

Robert Kurz (Netzsch) ist von der Leistungsfähigkeit rotierender Verdrängerpumpen naturgemäß sehr überzeugt: „Auch wenn’s mal zäh kommt – Exzenter- und Drehkolbenpumpen schaffen das.“ Und er macht das nicht an theoretischen Erwägungen fest, sondern an einem Beispiel aus der Praxis.

Ergänzendes zum Thema
kd0__Kasten-Dachzeile
Aus der aktuellen Forschung: Von Druckwellen und modularen Pumpen

Als Wissenschaftler ist Professor Schlücker in nationalen wie internationalen Gremien und Arbeitskreisen vertreten. So konnte er auf dem Pumpen-Forum über interessante aktuelle Forschungsprojekte berichten.

Druckstöße und Druckpulsationen vermeiden

Beispielsweise über den temporären Arbeitskreis „Druckwellen“. Hier geht es um die Schwingungsanregung und Schädigungsinduzierung in chemischen und petrochemischen Rohrsystemen und daran angeschlossenen Apparaten.

Alle Pumpen und Kompressoren pulsieren und senden je nach Pumpen- oder Kompressoren-Typ mehr oder weniger starke Druckpulsationen und Schockwellen in die Anlage. Darüber hinaus sorgen Ventilschnellschlüsse, spontane Pumpenanfahrvorgänge, falsche Reihenschaltungen von Pumpen oder Phasenwechsel in Strömungen (Kondensation, Verdampfung, Kavitation) für ein ähnliches stoßbehaftetes oder schwingendes Verhalten. Die Folgen solcher Effekte sind Bauteilermüdung, Störungen von Sensoren, Geräuschbelästigungen, Verschleiß und Fehlfunktionen bei Dosierprozessen, Reaktionen und Mischvorgängen.

Damit sind Schwingungen eine der Hauptursachen für Störungen in fluidführenden Anlagen – Stichwort Resonanzkatastrophen (z.B. Ermüdungsbrüche). Druckstöße und Druckpulsationen sind Phänomene, die möglichst vermieden werden sollten. Dazu müssen ihre Ursachen und Wirkungen aber erst verstanden werden – das versuchen Fachleute im Arbeitskreis „Druckwellen“.

„Modulares Equipment für energieeffiziente chemische Produktion“

Interessant ist auch das Projekt „Modulares Equipment für energieeffiziente chemische Produktion“ – hier geht es darum, mit modularem Equipment Projektlaufzeiten zu reduzieren und gleichzeitig die Energieeffizienz in der chemischen Industrie zu verbessern. Das zentrale Ziel des Projektes ist es zu zeigen, dass ein modulbasierter Ansatz die Wiederverwendung von bereits in früheren Projekten entworfenen Anlagenblöcken ermöglicht. Es wird ein modulbasierter Planungsansatz entwickelt, der darauf abzielt, das am besten geeignete Equipment aus einer Datenbank auszuwählen und zu konfigurieren und nicht individuell zu entwerfen.

Der Ansatz wird beispielhaft mit Pumpen unterschiedlicher Bauart demonstriert. Es wird eine Überwachung entwickelt, die den dynamischen Betriebszustand der Pumpe beobachtet. Das System wird generisch für jede Art von Pumpe ausgelegt – beispielsweise sind die Anschlussmaße unabhängig vom Wirkprinzip der Pumpen, allein definiert durch den geförderten Volumenstrom. Dies ermöglicht eine schnelle Auswahl der energieeffizientesten Pumpe; auch der Austausch von Pumpen gegen effizientere Modelle wird erleichtert.

Die Ausgangslage: Der Kunde fördert Fremdschlamm mit einem Trockensubstanzanteil bis 32 % (pastös, nicht fließfähig) mit Kolbenpumpen in den Verbrennungsofen. Aufgrund der ungünstigen Rohrleitungsführung (baulich bedingt) kommt es immer wieder zu Beschädigungen an der 35 m langen Rohrleitung – jedes Jahr fallen Kosten in sechsstelliger Höhe an, zur Reparatur der Rohrleitungen sowie zur Wartung und technischen Überprüfung der Kolbenpumpen (Hydraulikaggregate lecken regelmäßig – ein Gefahrenpotenzial). Nach Einsatz einer Exzenterschneckenpumpe verzeichnet der Betreiber eine deutliche Reduzierung der Instandhaltungs- und Wartungskosten. Die Standzeit des Stators liegt bei immerhin 9600 Betriebsstunden. Den erschütternd geringen energetischen Wirkungsgrad erwähnte er eher kurz …

„Hidden Champion“ der Prozessindustrie?

Thomas Böckenbrink (Lewa) ist indes eher ein Fan der oszillierenden Verdrängerpumpe, konkret der Hochdruck-Prozessmembranpumpe. Ist sie in der Leistungsklasse bis 200 m3/h und bis 800 bar eine hocheffiziente Alternative zu Kreiselpumpen? Womöglich gar der „Hidden Champion“ der Prozessindustrie? Böckenbrink verweist auf diese Fakten: Prozessmembranpumpen haben einen Gesamtwirkungsgrad von 85 bis 93 % – auch in Teillast. Eine Chemienormpumpe hat im besten Fall einen Wirkungsgrad von 80 % (häufig sind es lediglich 40 bis 60 %). Und: Es kommt zu einer erheblichen Reduktion des Wirkungsgrades bei verändertem Betriebspunkt. Eine High-speed-Kreiselpumpe erreicht nur einen Wirkungsgrad von maximal 60 % – und je nach Betriebspunkt reduziert sich das schnell auf Werte zwischen 25 und 55 %.

Bei einer typischen Anwendung in der Chemie (Transport von Flüssiggas mit einem Förderstrom zwischen 5 und 20 m³/h und einem Betriebsdruck von 110 bar) errechnet Böckenbrink bei Energiekosten von 15 ct/kWh und 8000 h/a diese Daten:

  • Prozessmembranpumpe mit einem Leistungsbedarf von 68 kW: 81.600 €.
  • Mehrstufige Kreiselpumpe mit einem Leistungsbedarf von ca. 130 kW: 156.000 € (also jährlich 74.400 € mehr als die Prozessmembranpumpe).
  • High-speed-Kreiselpumpe mit einem Leistungsbedarf von ca. 150 kW: 180.000 € (also jährlich 98.400 € mehr als die Prozessmembranpumpe).

Natürlich ist die Prozessmembranpumpe teurer in der Investition. Aber bei derart hohen Einsparungen bei den Energiekosten scheint doch Luft nach oben zu bestehen.

Flexibel sind Prozessmembranpumpen auch, wie dieses klassische Debottleneck-Projekt zeigt: Bei einer Kresol-Anlage sollte der Wirkungsgrad erhöht werden. Die Lösung: Bei der Edukt-Hochdruckpumpe muss auf vorhandenem, begrenzten Raum die Leistung von 300 auf 500 bar erhöht werden. Die Realisierung: Schadraumoptimierung (FEM), strömungsoptimierter Pumpenkopf (CFD), optimierte Membranauslenkung, Spezial- Membraneinspannung für 500 bar, Konstruktion für Spezial- Hochdruckdichtungen (Betriebssicherheit).

Ein spannendes Highlight der Förderprozess-Foren 2016 –die Exkursion zur Staatlichen Feuerwehrschule in Würzburg:

Förderprozess-Foren 2016: Exkursion Staatliche Feuerwehrschule Würzburg
Bildergalerie mit 16 Bildern

Auch Daniel Nägel (Feluwa) betonte den hohen energetischen Wirkungsgrad seiner Verdrängerlösung: Die Doppel-Schlauchmembranpumpe Ecotrans Multisafe mit Anbau-Kolbenkompressor und Bypass-Fördermengenregulierung setze Maßstäbe in Bezug auf Betriebssicherheit und Verfügbarkeit. Nur die Schlauchmembranen, die korrosions- und abrasionsbeständigen Ventile sowie die Sammelleitung kommen mit dem Medium in Kontakt. Die zylindrische Form der Membran begünstige das Fließverhalten und sorge für eine schonende Förderung von scherempfindlichen Medien. Die Standzeit lässt aufhorchen: MTBR >8000 h bei Drücken bis 16 bar, und das bei einem hohen energetischen und volumetrischen Gesamt-Wirkungsgrad.

Der Synchron-Reluktanzmotor – das neue Arbeitspferd?

Professor Peter Brosch (Hochschule Hannover) gab zum Abschluss Einblicke in die Technik des Reluktanzmotors – und wagte den Ausblick, dieser Motor werde sich zum neuen Arbeitspferd der Antriebstechnik entwickeln. Der nachvollziehbare Grund: Der Synchron-Reluktanzmotor (SRM) entwickelt bei drehzahlveränderbaren Antrieben einen besseren Wirkungsgrad als der Asynchronmotor. Zudem ist der Läufer des SR-Motors kostengünstiger und materialsparender, da er keine Aluminium- oder Kupfer-Wicklung trägt. Weil Läuferverluste fehlen, bleiben sowohl der Läufer als auch der Ständer ‚kalt‘, was zur Verlängerung der Lebensdauer bei Ständerwicklung und Lagern führt.

Fazit

Die Headline „Pumpen ohne Stress betreiben“ hat doppelte Bedeutung – ohne Stress für den Betreiber im Alltagsbetrieb (dazu ist neben der umsichtigen Auswahl der Bauart und der Werkstoffe vor allem der bestimmungsgemäße Betrieb der Pumpe von Bedeutung), aber auch ohne Stress für die Pumpe selbst (also vor allem auch hier der bestimmungsgemäße Betrieb). Die Teilnehmer des 14. Pumpen-Forums wissen jetzt mehr darüber, wie man eine Pumpe mit weniger Stress einsetzt.

Save the Date: Das 15. Pumpen-Forum findet im Rahmen der Förderprozess-Foren 2017 am 16./17. November 2017 wieder auf der Festung Marienberg in Würzburg statt.

(ID:44458479)