Funktionale Sicherheit einfach erklärt: Turbomaschinen

Pumpen, Turbinen und Kompressoren: In Turbomaschinen arbeiten viele Komponenten zusammen, um mit großen Mengen an Wind oder Wasser Energie zu erzeugen. Das ist nicht immer ungefährlich: Schon ein kleiner Fehler kann hohe Kosten verursachen oder Menschenleben gefährden. Wie also reduzieren Betreiber das Unfallrisiko?

Mit katastrophalen Folgen explodierte vor circa zehn Jahren der Sayano-Shushenskaya Damm – einer der größten, hydroelektrischen Dämme Russlands. Der Beginn war unscheinbar: Eine der Turbinen in der Haupthalle vibrierte plötzlich viel stärker, als sie sollte. Dabei verschob sich die Turbinenhülle, der 1000 Tonnen schwere Rotor flog in die Luft und 67.000 Galeonen Wasser pro Sekunde schossen aus dem Schacht: Die Turbinenhalle fiel in sich zusammen wie ein Kartenhaus.

Dieses Ereignis löste eine Diskussion zu den Sicherheitskontrollsystemen für Turbomaschinen aus. Warum vibrierte die Turbine so stark? Wann hätte ein Not-Shutdown stattfinden müssen? Und mit welchen Sicherheitsstandards hätte das Desaster verhindert werden können?

Arten von Turbomaschinen

Mögliche Fehlerquellen hängen von der Form, der Größe und der Einsatzmöglichkeiten der Turbomaschine ab. Zur groben Unterscheidung: Grundsätzlich sind alle Maschinen, die Energie von einem Fluid in einen Rotor transportieren, Turbinen. Maschinen, die Energie von einem Rotor zu einem Fluid transportieren, sind Pumpen oder Kompressoren. Je nachdem, ob die Strömung parallel (axial) oder senkrecht (radial) zur Drehachse läuft, unterscheidet man noch weiter. Zu der Maschinenfamilie zählen auch Ventilatoren und Windturbinen.

In Industrieanlagen und Kraftwerken müssen Turbomaschinen und Kompressoren konstant sicher betrieben werden – dafür sorgt das Safety Lifecycle Management. Ein komplexes, hochindividuelles Unterfangen, denn klassischerweise sind Software, Sicherheitssteuerung und Schutzsystem für jede Turbinenfunktion separat definiert. Den Überblick über die Leistung der Maschine zu behalten, ist daher schwierig.

Schockfaktor Materialermüdung und Korrosion

In einem Untersuchungsbericht über den russischen Damm stellte sich heraus: Die Turbine war der Grund für die Katastrophe. Nicht nur fehlten der Turbinenhülle sechs ihrer Befestigungsschrauben – bei den bereits ausgewechselten 49 Schrauben zeigten 41 schon Ermüdungserscheinungen.

Materialermüdung ist für Anlagenbetreiber, die mit drehbaren Geräten arbeiten, ein häufiges Problem. Das gilt auch für Korrosion, denn sie tritt meist auf, wenn Metallteile sich wiederholt bewegen. Egal ob Rotorblätter, Wälzlager oder Schrauben: Selbst die kleinsten Zeichen von Ermüdung oder Korrosion können sich zu großen Problemen entwickeln, wenn ihnen nicht nachgegangen wird – deswegen sind regelmäßige Wartungen umso wichtiger.

Sicherheit in Höchstgeschwindigkeit

Der Überdrehzahlschutz ist einer der wichtigsten Sicherheitsaspekte für Turbomaschinen. Denn wird die sichere Betriebsgeschwindigkeit überschritten, kann die im Rotor erzeugte Energie die Turbine von innen auseinanderdrücken. Der Fokus liegt deswegen auf der Balance zwischen Produktivität und Funktionaler Sicherheit.

Laut dem Sayanogorsk-Bericht war an diesem Tag ein Feuer in einem anderen Kraftwerk schuld daran, dass wichtige Kommunikations- und Automatisierungssysteme ausfielen. Außerdem entsprach das Programm, das die Vibration überwachen sollte, nicht dem Industriestandard. Wartung und Instandhaltung wurden – Zitat: „nicht ausreichend betrieben“. Vladimir Putin, damals noch Ministerpräsident von Russland, veranlasste daraufhin eine landesweite Inspektion der industriellen Infrastruktur.

Alles in einem

Früher wurden alle Sicherheitsfunktionen direkt in die Turbinenmaschine eingebaut – so zum Beispiel mechanische Shutdowns: Sie sind relativ komplex aufgebaut und benötigen mehrere Logic-Solver und zusätzliche Hilfe von außen.

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Heute sind alle Funktionen jedoch voneinander getrennt: Das vereinfacht die Überwachung von Aspekten wie Geschwindigkeit und Vibration. Auch Monitoring, Regulierung und Kontrolle sind jetzt einfacher. Entscheiden sich Betreiber für eine proaktive Herangehensweise an die Sicherheit und setzen Diagnostik- und Monitoring-Tools richtig ein, lohnt sich das: Die Betriebszeit kann maximal genutzt werden und die Maschinenverlässlichkeit ist so hoch wie nie. Werden dann auch noch internationale Standards zur Funktionalen Sicherheit und Automation (API-670, IEC 61508, IEC 61511) akzeptiert, können Katastrophen wie in Sayanogorsk zukünftig vielleicht verhindert werden.

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