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Verfahrenstechnik ACHEMA-REPORT 2018

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Verfahrenstechnik ACHEMA-REPORT 2018

PUMPEN, KOMPRESSOREN UND

PUMPEN, KOMPRESSOREN UND ARMATUREN Ready für Industrie 4.0 Unter dem Eindruck rasant wachsender Energiekosten wird das Rotating Equipment immer stärker mit elektronischen Bauteilen und Sensorik ausgerüstet. Doch reicht das allein nicht aus, solche Komponenten Industrie-4.0-ready zu machen. Nach der Generierung von Daten (Big Data) muss deren Analyse und Bewertung folgen (Smart Data): Sensoren liefern Daten, Mikrochips mit hinterlegter Software interpretieren sie, Stellglieder setzen Aktionen um. Die praktische Umsetzung von Industrie 4.0 bedeutet, dass eine Anlage nicht mehr allein vom zentralen Prozessleitsystem gesteuert wird. Die Intelligenz wandert ins Feld, wo smarte Feldgeräte spezifische Funktionalitäten ausführen, optional auch anderes technisches Equipment steuern und überwachen. Der nächste Schritt ist dann das digitale Pendant in der Cloud. Dieser digitale Zwilling kann auch auf andere Datenquellen zugreifen oder sich mit anderen digitalen Zwillingen vernetzen, z. B. als Akteur eines cyber-physischen Systems. Unabdingbar für die Industrie-4.0-readiness ist also die Fähigkeit zur Konnektivität und damit der Interaktivität. Der überzeugende Nutzen für den Betreiber: Eine vertiefte Transparenz und damit eine höhere Verfügbarkeit der Anlagen, verbunden mit einer verbesserten Produktivität. Dazu drei Beispiele: Mit der Dienstleistung „Pump Operation Check“, die KSB als App anbietet, lassen sich mit der Pumpenüberwachungseinheit „Pumpmeter“ Lastprofile ermitteln, um daraus Handlungsempfehlungen zur Steigerung von Effizienz und Anlagenverfügbarkeit abzuleiten (die über das Drehzahlregelsystem „Pumpdrive“ umgesetzt werden). Grundfos offeriert eine Chemicals-App: Hintergrund ist das für Kunden aus dem Bereich Wasseraufbereitung und Chemikalien- Distribution leidige Problem, dass Gebinde beim Anschluss an Dosierpumpen verwechselt werden. Die Chemicals-App stellt sicher, dass nur zuvor über die Cloud freigegebene Gebinde von der Dosierpumpe akzeptiert werden. Mehr noch: die App überwacht zudem den Gebinde-Füllstand und kann die Nachlieferung neuer Gebinde steuern. Für den Einstieg in die Digitalisierung haben Boge Kompressoren und Aventics das Smart Pneumatic Grid aufgebaut. Über das Kommunikationsprotokoll OPC UA soll eine intelligente Vernetzung von Drucklufterzeugern und Druckluftverbrauchern gelingen, die Potenziale zum Überwachen, Steuern und Optimieren der gesamten Systemtopologie liefert. Das Smart Pneumatic Grid erfasst den Energiebedarf bis auf Einzelverbraucherebene und visualisiert ihn transparent, berichtet Aventics. Mit geringem Aufwand können aus diesen Informationen bedarfsgerechte Regelungen für die Boge-Kompressoren abgeleitet werden. Darüber hinaus zeigt das Gerät auch einen steigenden Luftverbrauch (Leckage) verbrauchergenau an. components Industry 4.0 ready. Data generation (big data) must be followed by data analysis and interpretation (smart data). Sensors provide data, microchips with on-board software interpret the data and actuators initiate the appropriate response. Practical implementation of Industry 4.0 means that a system no longer operates exclusively under the guidance of a central process control system. Intelligence migrates to the field level. Smart field devices execute specific functionalities and optionally may monitor and control other technical equipment. The next step is the digital counterpart in the cloud. The digital twin can access other data sources or communicate over a network with other digital twins, e. g. as an active element in a cyber-physical system. Connectivity and interactivity are essential for Industry 4.0 readiness. The compelling benefits for plant operators are enhanced transparency and higher system availability together with increased productivity. Here are three examples. KSB offers a Pump Operation Check app. This service allows the user to generate load profiles using the Pumpmeter monitoring unit and derive action recommendations for increasing system efficiency and availability (to be executed with the Pumpdrive variable speed system). A chemicals app is available from Grundfos which was developed in response to problems encountered by customers in the water treatment and chemical distribution industries. Mix-ups can occur when containers are connected to dosing pumps. The chemicals app ensures that the dosing pump will only accept containers which have been released for use via the cloud. Not only that, the app monitors the fill level of the container and can control replenishment with a new container. Boge Kompressoren and Aventics have developed Smart Pneumatic Grid as a pathway to digitalization. Intelligent networking of air compressors and compressed air consumers based on the OPC UA communications protocol supports monitoring, control and optimization of the entire system topology. The Smart Pneumatic Grid captures energy demand data right down to the individual consumer level and provides a transparent visualization of the results, according to Aventics. Demand-based regulation parameters for boge compressors can be derived from this information with minimal effort. The device also provides notification of increased air consumption (leakage). From big data to smart data Smart Data provides an opportunity to generate business models which in the past were not feasible. Manufacturers have been selling hardware, but what they are really selling is conveyance of the medium. Customers could conceivably pay for conveyance of a Von Big Data zu Smart Data Smart Data bietet die Chance zu weiteren, bislang nicht verfügbaren Geschäftsmodellen: Bisher verkaufen die Hersteller faktisch Hardware, aber eigentlich die Bewegung des Mediums. Denkbar sind Konzepte, bei denen der Kunde das Fördern eines Mediums von A nach B bezahlt – also nicht mehr in die Hardware selbst investiert. Dem Hersteller fällt dann die Aufgabe zu, Förderprozesse so effizient wie möglich zu gestalten. So werden traditionelle Lösungen mit digitalem Mehrwert-Nutzen quasi veredelt. Anbieter von Rotating Equipment werden zukünftig Produkte mit einem höheren Dienstleistungsanteil anbieten. Dazu hat KSB eine eigene Taskforce „Business Innovation Lab“ gegründet: In vier Teams arbeiten dort zwischen 15 und 20 interne wie externe Mitarbeiter. Sie sollen Serviceangebote auf Basis technischer Kundendaten entwickeln, Angebote auf Internet-Plattformen ausbauen und herausfinden, wie additive Fertigungsverfahren (3-D-Druck) für Ersatzteile genutzt werden können. 18 VERFAHRENSTECHNIK ACHEMA-Report 2018

PUMPS, COMPRESSORS AND VALVES Die Zukunft der Industriepumpe auf einen Blick: n Produkte ohne Sensorik und Kommunikation werden zukünftig keine große Rolle in der 4.0-Welt mehr einnehmen n Traditionelle Produkte werden zukünftig durch Produkte mit Sensorik und integrierten Überwachungssystemen verdrängt – cyber-physische Systeme (CPS) werden zum Standard n Hersteller oder Dienstleister etablieren Plattformen (Cloud), mit denen CPS über Gateways kommunizieren n Herausforderung ist die Filterung relevanter Datenströme und Erstellung von Modulen, die einen Kundenutzen beinhalten n Mit CPS, Cloud und Datenanalyse lassen sich maßgeschneiderte Dienstleistungen generieren The future of industrial pumps at a glance: n Products without sensors and connectivity will not be a significant factor in the future world of Industry 4.0 n Conventional products will be supplanted by products with sensors and on-board monitoring capability. Cyber-physical systems (CPS) will become the standard n Manufacturers and service providers will set up platforms (cloud) for CPS communication via gateways n The challenge is to filter out relevant data streams and develop modules which generate real customer benefit n CPS, the cloud and data analysis will provide the basis for tailored services Neues aus der analogen Welt Hybrid-Technologien sind derzeit in der Automobil-Welt angesagter Hype – die Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor gilt zumindest als gute Brücken-Technologie. Auch bei Pumpen machen Hybrid-Lösungen nun von sich reden: Beispielsweise sind einstufige Pumpen der Baureihe TPS von GEA Hilge mit dem herkömmlichen Laufrad einer normalsaugenden Kreiselpumpe ausgestattet, unterstützend ist eine Zulaufschnecke (Inducer) vorgeschaltet. Mit dieser Hybrid-Technik ist die Pumpe selbstansaugend und damit insbesondere für den Einsatz als CIP-Rücklaufpumpe und für das Fördern gashaltiger Medien geeignet – eine kostengünstige Alternative zu Seitenkanalpumpen. Die Freistrom-Pumpe TEO mit Hybrid-Laufrad von Egger verbindet die Vorteile eines halboffenen Laufrads mit denen eines Turbo- Freistromrads. Die Pumpe empfiehlt sich für die Förderung von Medien mit hohen Gasanteilen bis 10 % bei großem Kugeldurchgang. Hybrid-Kompressoren kombinieren die Vorteile von Kolbenmaschinen und Membranmaschinen. Sie spielen dann ihre besonderen Stärken aus, wenn sehr hohe Drücke von 1 500 bar und mehr zur Komprimierung von technischen Gasen und Gasgemischen ohne Ölschmierung im hochverfügbaren Betrieb gefordert sind. Gleichzeitig stellen Hybrid-Kompressoren auch eine zukunftssichere Investition im Hinblick auf zu erwartende Umweltauflagen dar. Um jeweils die Stärken eines jeden Verdichtungsprinzips zu nutzen, liegt eine Kombination auf einem Maschinengehäuse nahe. Da es sich um das gleiche physikalische Ver dichtungsprinzip handelt, sind die Verdichtungskonzepte thermodynamisch unkritisch kombinierbar. Auch die verfahrenstechnisch nötigen Komponenten zwischen den Stufen (wie Kühler, Behälter, Abscheider) haben für beide Verdichtungsprinzipien keine unterschiedlichen Anforderungen. So ist die Nutzung von Kolbenkompressor-Stufen als Niederdruckverdichtung und von Membranstufen als Hochdruckverdichtung eine optimale Wahl, um Gase ungeschmiert auf Hochdruck zu verdichten, so Neumann & Esser (NEA Group). Um Wärme effizient zu speichern, sollten die Temperaturen möglichst hoch sein. Bislang fehlte es an Technik, die das aushält, doch jetzt haben Forscher eine Pumpe auf der Grundlage von Keramik-Materialien entwickelt. Die nötigen Dichtungen wiederum sind aus Grafit, das ebenfalls sehr hohen Temperaturen standhält. Der Pumpen-Prototyp hat mit geschmolzenem Zinn und Temperaturen bis 1 400 °C rund 72 h funktioniert. Unterstützt wurde die Arbeit mit 3,6 Mio. Dollar von ARPA-E, der Forschungsstelle des US-Energieministeriums für besonders ambitionierte Projekte. Wie die Forscher in der Zeitschrift Nature schreiben, könnte die Pumpe für die Entwicklung eines zuverlässigen medium from A to B without actually investing in the hardware. It is up to the manufacturer to design a material flow process which is as efficient as possible. This approach generates additional value-add for conventional solutions. In the future, rotating equipment suppliers will offer products that have a higher service ratio. KSB has set up a dedicated Business Innovation Lab task force to explore the opportunities. 15–20 internal and external employees have been organized into four teams. Their task is to develop services based on technical customer data as well as to identify and expand services available on Internet platforms such as additive manufacturing (3D printing) for spare parts. News from the analogue world Hybrid technologies are currently being hyped by the automotive industry. The combination of electric motors and internal combustion engines appears to be a good transition technology. Hybrid solutions are also a talking point in the pump industry. TPS series single-stage pumps made by GEA Hilge combine the conventional impeller of a non-self-priming centrifugal pump with an upstream screw rotor stage (inducer). This hybrid technology makes the pump self-priming. It is particularly suitable as a CIP return pump and for conveying media which contain gas, and it is a low-cost alternative to side channel pumps. The Egger TEO vortex pump with hybrid impeller combines the advantages of a semi-open impeller with that of a Turo vortex impeller. The pump is ideal for conveying media with a high gas content (up to 10 %) and large diameter solids. Hybrid compressors combine the advantages of piston machines and membrane machines. They are particularly effective at very high pressures (1 500 bar and more) for compressing technical gases and gas mixtures without oil lubrication in applications which require high availability. Hybrid compressors are a safe investment in the future to ensure compliance with the expected environmental regulations. To exploit the strengths of both compression technologies, it seams reasonable to combine them in the same housing. Because the compression principle is the same, combing the two does not create thermodynamic problems. The process components which need to be installed between the stages (e. g. coolers, vessels, separators) do not create different requirements for the two compression principles. Using piston compressor stages for lowpressure compression and membrane stages for high-pressure compression is the ideal choice for unlubricated high-pressure compression of gases, according to Neumann & Esser (NEA Group). The temperatures should be as high as possible to maximize heat storage efficiency. Up until now, no technology has been available to do that, but researchers have recently developed a pump based on VERFAHRENSTECHNIK ACHEMA-Report 2018 19

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