Kavitation ist eine Gefahr, die Betreiber von Pumpen jederzeit vor Augen haben müssen. Ob Wasser & Abwasser oder Food & Beverage: Das Phänomen ist altbekannt und doch schwer zu vermeiden – bislang. Intelligente Antriebstechnik unterstützt Betreiber mit einer integrierten Kavitationserkennung, die automatisch Gegenmaßnahmen einleitet, ohne den Betrieb zu stören.
Kavitation ist für Wasserversorger, Betreiber von Abwasserpumpwerken oder Hersteller in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eine kostspielige Herausforderung. Tritt der Effekt auf, nimmt zunächst der Wirkungsgrad ab, die Pumpe läuft also ineffizient. Langfristig sinkt durch Schäden an den Bauteilen der Pumpe jedoch auch schnell die Standzeit – der Betrieb muss unterbrochen werden, die Wartungskosten steigen. Doch was ist Kavitation und wie entsteht sie?
Wie entsteht Kavitation?
Kavitation tritt in Wasser- und Abwasserpumpen und in Rohrleitungen auf, wenn auf der Einlassseite der Pumpe nicht genügend Druck vorhanden ist. Dieser Druckabfall kann verschiedene Ursachen haben: Er entsteht durch Leckagen oder geschlossene Ventile, durch geringen Systemdruck oder einen niedrigen Füllstand in einem Tank oder Vorratsbehälter. Durch den Druckabfall sinkt auch die Durchflussrate des Fördersystems.
Dieser abnehmende Durchfluss wirkt sich auf die Dynamik am Laufrad der fördernden Pumpe aus: Das Laufrad erzeugt kleine Vakuumblasen, die sich im Förderstrom an dessen Oberfläche bilden. Da diese Blasen aus verdampftem Wasser bestehen, werden sie auch Dampfblasen genannt. Mit dem Wiederansteigen des Drucks implodieren die Blasen – dabei wird ein Druck von zu 20.000 bar freigesetzt. Diese Druckstöße wirken auf die Laufradschaufeln ein. Auch an den Wasserleitungen und Sensoren können die implodierenden Blasen Druckstöße und damit Schäden verursachen. Diese Beschädigungen können in überraschend kurzer Zeit auftreten.
Optisch äußert sich das Phänomen an Pumpenlaufrädern als Kavitationsfraß: Immer größere Teile der Oberfläche brechen heraus, bis der ganze Flügel abbricht. Die Bruchstücke im Förderstrom können weitere Folgeschäden für verschiedene Bauteile der Anlage bewirken. Hinzu kommt die potenzielle Kontamination des Förderguts. Gerade bei der Förderung heterogener Flüssigkeiten wie Abwasser fällt diese Folge jedoch kaum auf. Auch weitere Effekte von Kavitation wie die Geräuschentwicklung und Vibration fallen in lauten oder weit verteilten Betriebsumgebungen meist kaum auf. Was also können Betreiber tun, um ihre Anlagen zu schützen und Kavitation so frühzeitig wie möglich zu verhindern?
Durch Schäden an den Bauteilen der Pumpe sinkt die Standzeit.
Was kann man gegen Kavitation tun?
So schnell Kavitation entsteht, so schwierig kann es sein, das Phänomen frühzeitig zu erkennen – und zu beheben, bevor es zu spät ist. Denn Schäden können nicht nur in der Pumpe selbst entstehen, sondern auch in den Rohrleitungen oder an der Messtechnik. Besonders von den Gefahren der Kavitation betroffen sind jedoch die Laufräder der wasserfördernden Pumpen: Tritt der Effekt wiederholt auf, können selbst Pumpenlaufräder aus Edelstahl innerhalb weniger Monate vollständig zerstört werden.
Die radikalste Abhilfe gegen Kavitation wäre ein Stopp der Förderung, sobald erste Effekte auftreten. Diese Beeinträchtigung des Betriebs können insbesondere Akteure, deren Anlagen zur kritischen Infrastruktur gehören und stets leistungsfähig sein müssen, jedoch nicht hinnehmen. Eine Alternative ist es, den Wasserdurchfluss nicht zu stoppen, sondern lediglich zu reduzieren. Denn wenn der Durchfluss an den gesunkenen Druck auf der Einlassseite angepasst wird, wird die Ursache der Kavitation beseitigt.
Diese Anpassung erreichen Pumpenbetreiber, indem sie die Drehzahl des Pumpenlaufrads reduzieren. Dabei genügt in der Praxis eine Reduzierung um maximal 5 Prozent, um die Kavitation abzubauen. Genau diese Funktion bietet ABB mit dem wasserspezifischen Frequenzumrichter ACQ580. Die Antikavitationsfunktion des Umrichters überprüft das Lastprofil der Pumpe laufend auf Auffälligkeiten, die auf Dampfblasen im Förderstrom hinweisen.
Mit dieser Technologie kann entstehende Kavitation genau erkannt werden. Gegenmaßnahmen werden sofort ergriffen: Der Frequenzumrichter passt die Drehzahl der Pumpe automatisch auf einen Punkt an, an dem keine Kavitation mehr auftritt. Sobald sich der Druck im Einlass normalisiert hat, beschleunigt der Antrieb wieder auf die Geschwindigkeit des normalen Pumpenbetriebs. So wird der Durchfluss gerade so weit gesenkt, wie für die effektive Verhinderung der Kavitation nötig ist, und die Einschränkung des Betriebs minimiert.
Eine solche kurzzeitige Reduzierung der Förderleistung spielt im Alltag der Betreiber von Wasser- und Abwasseranlagen keine wesentliche Rolle. Langfristig wirkt sich die schützende Funktion des ACQ580 aber erheblich auf die Kosten für den Betrieb und die Wartung aus. Denn so entfallen Reparaturkosten für zerstörte Laufräder oder weitere Peripherie und aufwendige, ungeplante Serviceeinsätze.
Schutz vor Kavitation bedeutet Schutz der Investitionskosten
Kavitation ist kein neues Phänomen. Und dennoch wirkt sich der Effekt massiv auf den Betrieb von Anlagen in der Wasser- & Abwasserbranche aus: Dort gehört Kavitation zu den größten Kostentreibern durch Stillstandzeiten und für Wartung und Reparaturen. Betreiber, die auf den ACQ580 mit Antikavitationsfunktion setzen, können diese Kosten gezielt reduzieren:
Unerwartete Pumpenstörungen und Ausfallzeiten werden vermieden.
Die Investitions- und Betriebskosten für externe Kavitationserkennung entfallen.
In kavitationsanfälligen Systemen wird immer die optimale Pumpenleistung beibehalten.
Die Lebensdauer der Pumpe zu verlängern und den Prozess zu schützen ist einfach – durch die Erkennung von Kavitation und die Sicherstellung einer optimalen Pumpendrehzahl über den gesamten Betrieb hinweg.
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Frequenzumrichter von ABB für die Wasser- und Abwasserwirtschaft
