Neue Magnetlager-Technologie im Einsatz in Gaskompressoren

Das Double-End-Drive-System bei NAM im Gasfeld bei Groningen. Siemens

Wenn tonnenschwere Kompressorrotoren bei hohen Drehzahlen laufen müssen und dabei nicht mit Öl geschmiert sein dürfen, ist guter Rat teuer. In dem Onshore-Gasfeld im niederländischen Groningen lösten die Mitarbeiter des Betreibers NAM/Shell das Problem mit einer neuen Siemens-Magnetlager-Technik. Die auf der diesjährigen Hannover Messe vorgestellten Magnetlager ‚Simotics Active Magnetic Bearing-Technology‘ sind in Groningen bereits seit über zwei Jahren in Betrieb. Weil der Gasdruck über die vergangenen 50 Jahre dort stetig gesunken ist, muss das Gas nun mit einer erhöhten Kompressorleistung gewonnen werden – es war also an der Zeit für eine neue Technologie. Die Lösung der Aufgabe bestand in der Entwicklung von Kompressorstationen, in denen ein Synchronmotor mit einer Gesamtleistung von 23 MW und mit Drehzahlen von bis zu 6 300 min-1 an jedem Wellenende je einen Kompressor antreibt. Die Rotoren wiegen mehrere Tonnen – allein der Motorläufer bringt 9,5 t auf die Waage.

Aufgrund von Umweltschutzauflagen im Fördergebiet und der Forderung nach einem durchgängigen Drehzahlbereich schlossen die Entwickler Gleit- oder Wälzlager als technische Lösung aus. Magnetlager hingegen spielen ihre besonderen Eigenschaften hier voll aus. Mit ihnen können hohe Drehzahlen bei großen Rotordurchmessern mühelos erreicht werden, da im Gegensatz zu Gleitlagern bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten keine Ölleckagen auftreten. Darüber hinaus dämpfen aktive Magnetlager Resonanzen im Drehzahlbereich aktiv, sodass die Maschinen ohne Sperrbereiche auskommen. Somit lassen sie sich dauerhaft im gesamten Drehzahlbereich vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl betreiben. Die Gasförderung wird so bedarfsgerecht anpassbar.

Rotor schwebt

Das physikalische Prinzip hinter der magnetischen Lagerung von Rotoren ist vergleichsweise einfach: Elektromagneten erzeugen Kräfte, die den zu lagernden Rotor berührungslos halten. Da die Anziehungskräfte eines Magneten mit kleinerem Abstand größer werden – dieser Effekt lässt sich auch mit einem Permanentmagneten leicht nachstellen – müssen die Magnetkräfte geregelt werden. Ein Abstandssensor erfasst hierzu die Auslenkung des Rotors aus der Solllage im Zentrum des Lagers. Basierend auf dieser Information generiert ein Regler einen Stromsollwert für einen Elektromagneten, der von einem Leistungsverstärker umgesetzt wird. Ist der Regler korrekt parametriert, schwebt der Rotor.

Eine reale Radialmagnetlagerachse besteht aus zwei gegenüberliegend angeordneten Elektromagneten, um den Rotor aktiv in beide Richtungen ziehen zu können. Eine Radiallagereinheit besteht jeweils aus zwei um 90° versetzte Achsen. Um einen Rotor komplett in radialer Richtung zu lagern, kommen zwei Radialmagnetlager zum Einsatz. Die axiale Lagerung des Strangs ist in der Regel in die Arbeitsmaschine implementiert – im Projekt in Groningen in die beiden Kompressoren. Um eine axiale Überbestimmung zu vermeiden, ist eine der beiden Strangkupplungen axial weich ausgeführt, sodass der Motor in axialer Richtung von dem Axiallager lediglich eines Kompressors geführt wird. Ein Axiallager besteht aus einer Axiallagerscheibe, die auf den Rotor aufgeschrumpft ist, sowie aus je einem Elektromagneten auf beiden Seiten der Scheibe. Ansonsten entspricht das Axialmagnetlager vom Prinzip her einer Radial­magnetlagerachse.

Das Besondere an der Simotics AMB-Technology ist der Einsatz der Standard-Antriebstechnik Sinamics aus dem Werkzeugmaschinenbereich, die durch eine anwendungsspezifische Software-Erweiterung mittels Sinamics Technology Extension (Sinamics TEC) an die Anforderungen einer Magnetlageranwendung angepasst wurde. Da diese Komponenten mehrere hunderttausendmal im Jahr industriell eingesetzt werden, war die Entwicklung teurer Spezialbaugruppen nicht nötig. Vielmehr stellte Siemens das Magnetlagersystem im Baukastenprinzip zusammen.

Neben dreiphasigen Werkzeugmaschinen-Umrichtern als Leistungsverstärker für die Ansteuerung der beiden Spulen einer kompletten Magnetlagerachse setzt die Magnetlagertechnik auch im Fall der Analog-Digital-Umsetzung für die Abstandssensoren sowie der digitalen Regelung und der Benutzerschnittstelle auf Standardkomponenten von Sinamics und Simotion. Damit besitzen die Magnetlager gleichzeitig Eigenschaften zur anwendungsspezifischen Anpassung der Bedienelemente, der Schnittstellen zu einer übergeordneten Leitwarte und dem Antriebsumrichter sowie sämtliche Zugriffsmöglichkeiten vor Ort oder als Fernzugriff. Einer Integration in die digitale Fabrik steht nichts entgegen. Die digitale Regelung des Magnetlagersystems hat Zugriff auf sämtliche Betriebsparameter des Magnetlagers (etwa Lagerkräfte) und eignet sich für die Zustandsüberwachung sowie die statistische Auswertung des Betriebsverlaufs. Damit lassen sich datenbasierte, vorausschauende Servicekonzepte zur Reduzierung von Anlagenstillstandszeiten entwickeln.

Ein spezielles Augenmerk legten die Entwickler auf das Sicherheitskonzept für den Strang. Dazu zählen zum Beispiel die Fanglager, die in Partnerschaft mit Schaeffler entstanden. Im unwahrscheinlichen Fall eines Fehlers in einer Elektronikkomponente oder in der Energieversorgung (die über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung gestützt wird), fällt der Rotor in sogenannte Fanglager, die Läufer und Ständer bis zum Stillstand des Strangs vor Schaden bewahren. Die dafür entwickelten Kugelfanglager sind bislang einzig­artig für diese Größe und Anwendung sowie testerprobt und qualifiziert.

Der einfache und robuste Aufbau der Technologie zeigte in dem Projekt in Groningen seine Stärken auch darin, dass Tuning-Aktivitäten und ein Großteil der Tests lediglich während der Fabrikmontage und -inbetriebnahme erfolgen mussten. Die Inbetriebnahme auf der Anlage dauerte nur wenige Tage und beschränkte sich auf die Prüfung der kundenspezifischen Aufbau- und Montageschritte vor Ort.

Seit Februar 2016 ist bereits eine zweite Förderstation im Groningen-Gasfeld in Betrieb. Weitere sollen folgen.

(mns)