Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats

Abstract

 Das Verfahren dient zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit instabiler Pumpenkennlinie (9) und zeichnet sich dadurch aus, dass die wirksame Pumpenkennlinie (9') zu geringen Fördermengen hin durch Drehzahlerhöhung so weit angehoben wird, dass sich nur ein Schnittpunkt mit der aktuellen Rohrnetzkennlinie (Rb) ergibt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

[0002] Die Kennlinie einer Pumpe gibt das Verhalten der Pumpe in Abhängigkeit der Betriebsverhältnisse an. Bei modernen drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregaten kann die wirksame Pumpenkennlinie in weiten Bereichen durch Veränderung der Drehzahl variiert werden. Allerdings weist eine Kreiselpumpe aufgrund der gegebenen mechanisch/ hydraulischen Gegebenheiten zu jeder Drehzahl eine bestimmte Pumpenkennlinie (Drosselkurve) auf, welche die Förderhöhe in Abhängigkeit der Fördermenge angibt. Dabei gibt es Pumpenkennlinien, bei denen die Förderhöhe mit zunehmender Fördermenge abnimmt und die als stabil bezeichnet werden. Gibt es hingegen Bereiche, in denen die Förderhöhe mit größer werdender Fördermenge zunimmt, so spricht man von einer instabilen Pumpenkennlinie bzw. Drosselkurve, was insbesondere in Verbindung mit einer flachen Rohrnetzkennlinie dazu führen kann, dass sich kein eindeutiger Schnittpunkt zwischen Rohrnetzkennlinie und Pumpenkennlinie ergibt sondern typischerweise zwei Schnittpunkte. Dann jedoch kann der sich einstellenden Betriebspunkt sprunghaft ändern, was zu Schwingungen im System führen kann und höchst unerwünscht ist, da der sich einstellende Betriebspunkt nicht vorhersehbar ist. Andererseits jedoch haben Kreiselpumpen mit instabiler Pumpenkennlinie häufig einen besonders guten Wirkungsgrad, weshalb man dies bisher notgedrungen in Kauf nahm bzw. dafür Sorge getragen hat, dass die Pumpe nach Möglichkeit nicht in diesem instabilen Bereich arbeitete.

[0003] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit instabiler Pumpenkennlinie zu schaffen, dass die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere sicherstellt, dass stets nur ein Schnittpunkt zwischen Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie gegeben ist.

[0004] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.

[0005] Erfindungsgemäß wird das drehzahlregelbare Kreiselpumpenaggregat mit instabiler Pumpenkennlinie so betrieben, dass die wirksame Pumpenkennlinie zu niedrigeren Förderhöhen hin durch Drehzahlerhöhung so weit angehoben wird, dass sich stets nur ein Schnittpunkt mit der aktuellen Rohrnetzkennlinie ergibt. Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es somit, nur dann, wenn nämlich einerseits die Anlagenkennlinie relativ flach ist und die Pumpe im Bereich kleiner Fördermengen betrieben werden soll, die Pumpenkennlinie durch Drehzahlerhöhung so anzuheben, dass auch in diesem Bereich sichergestellt ist, dass nur ein eindeutiger Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie also der Rohrnetzkennlinie des Systems, in dem die Kreiselpumpe fördert, gegeben ist.

[0006] Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da es ermöglicht, Kreiselpumpenaggregate mit instabiler Pumpenkennlinie ggf. auch in dem an sich instabilen Förderbereich der Kennlinie stabil zu fahren.

[0007] Das Anheben der Drehzahl zu niedrigen Fördermengen hin, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft durch eine Steuerung (open loop) erfolgen, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Förderhöhen hin anhebt.

[0008] Alternativ kann gemäß der Erfindung auch eine Steuerung vorgesehen sein, welche die Drehzahl des Pumpenaggregats zu geringen Förderhöhen hin anhebt. Eine solche gezielte Anhebung der Drehzahl ist zwar steuerungstechnisch aufwändiger als die Steuerung der Leistungsaufnahme, ermöglicht jedoch eine relativ genaue Abstimmung auf die aktuellen Anlagenanforderungen.

[0009] Besonders vorteilhaft ist es, eine vorzugsweise untergeordnete Regelung (closed loop) vorzusehen, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Förderhöhen hin konstant regelt. Eine solche Regelung ist einfach zu realisieren und reicht in der Regel aus um das eingangs dargelegte Problem der instabilen Pumpenkennlinie zu vermeiden.

[0010] Zweckmäßig für die vorgenannte Steuerung/Regelung ist es, dass sie, wenn sie als untergeordnete Regelung oder Steuerung erfolgt, so schnell erfolgt, dass bei abfallender Fördermenge die sich normalerweise ergebenden instabilen Zustände der Pumpe gar nicht erst erreicht werden. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass die untergeordnete schnelle Steuerung/Regelung so ausgelegt ist, dass sie schneller als die Trägheit der geförderten Flüssigkeitssäule ist. Dann ist sichergestellt, dass die Anhebung der Drehzahl stets erfolgt, bevor die Fördermenge so weit abgefallen ist, dass sich ein instabiler Betriebszustand ergeben könnte.

[0011] Da die erforderliche Geschwindigkeit der Regelung abhängig von der Massenträgheit der geförderten Flüssigkeitssäule ist, wird die Geschwindigkeit der Regelung im Einzelfall hierauf abzustimmen sein. In der Praxis hat sich jedoch erwiesen, dass es für nahezu alle Anwendungsfälle ausreicht, wenn die untergeordnete schnelle Steuerung/Regelung eine Zeitkonstante bzw. Regelzeitkonstante von weniger als einer Sekunde vorzugsweise unter 300 ms aufweist. Letzt genannte Zeitkonstante genügt schon bei vergleichsweise geringen Rohrlängen um das vorgenannte Problem sicher zu beherrschen und ist zudem steuerungs/regelungstechnisch mit vergleichsweise geringen technischen Aufwand realisierbar.

[0012] Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1

zwei Rohrnetzkennlinien mit einer instabilen Pumpenkennlinie und die sich dabei ergebenden Betriebspunkte,

Figur 2

einen Hydraulikschaltplan einer Anlage, bei der sich die in Figur 1 dargestellten Betriebszustände einstellen,

Figur 3

eine instabile Pumpenkennlinie sowie die Anhebung dieser Pumpenkennlinie im instabilen Bereich,

Figur 4

eine Anhebung gemäß Figur 3 mit anderen Steuerungsverfahren.

[0013] Anhand von Figur 2 ist eine Fördersituation dargestellt, welche zunächst einmal die Problematik einer instabilen Pumpenkennlinie anhand eines praktischen Beispiels erläutern soll. Eine Kreiselpumpe 1 fördert aus einem Vorratstank 2 eine Flüssigkeit über eine Leitung 3 unter Zwischenschaltung eines Rückschlagventils 4 und eines Absperrventils 5 in einem Behälter 6. Zu Beginn des Fördervorgangs ist ein Höhenunterschied Hg1 zu überwinden, welcher im Wesentlichen der Höhendifferenz zwischen der Flüssigkeitsoberfläche 0 des vergleichsweise großen und damit hinsichtlich der Pegelschwankung im Wesentlichen als konstant anzusehenden Vorratstanks 2 zur Flüssigkeitsoberfläche 7 des vergleichsweise kleinen Behälters 6 entspricht, den es zu füllen gilt. Bei geöffnetem Ventil 5 fördert die Kreiselpumpe 1 - hierbei handelt es sich um eine drehzahlregelbare Kreiselpumpe mit instabiler Pumpenkennlinie - mit großer Fördermenge Q bis zu einer Förderhöhe Hg 1. Das Ventil 5 wird dabei mit zunehmendem Erreichen des Niveau 7 geschlossen, wodurch die Fördermenge langsam abnimmt. Diese Betriebspunkte sind in dem Diagramm gemäß Figur 1 mit a bzw. b gekennzeichnet.

[0014] Durch langsames Schließen des Ventils 5 ändert sich die Rohrnetzkennlinie von Ra auf Rb usw., es stellen sich dann entsprechend Betriebspunkte c, d, e, f, g, h und i ein, je weiter das Ventil 5 geschlossen wird. Aufgrund sinkenden Flüssigkeitsspiegels vom Niveau 7 auf das Niveau 8 ist beim nachfolgendem Öffnen des Ventils 5 die dann zu überwindende Förderhöhe Hg2 deutlich geringer als vorher, weshalb sich die Fördermenge dann entweder schlagartig erhöht, oder nahezu versiegt da, wie die Figur 1 zeigt, die Pumpenkennlinie 9 zumindest mit der Rohrnetzkennlinie Rb zwei Schnittpunkte hat und es nicht vorhersehbar ist, welche der beiden Betriebspunkte sich einstellt.

[0015] Ein solches Verhalten ist im hohen Maße unerwünscht, wenn ein stetiger und stabiler Betrieb in einem Fördermengenbereich erreicht werden soll, der hier sozusagen übersprungen wird. Ein solcher Betriebszustand kann beispielsweise auch beim Fördern von Wasser in einen Dampfkessel (Kesselspeiseanwendung) bei gleichzeitiger Nutzung von Abwärme zur Erwärmung des Speisewassers auftreten.

[0016] Um diesen unerwünschten Betriebszustand zu vermeiden wird die wirksame Pumpenkennlinie 9 zu fallenden Fördermengen hin soweit angehoben, dass sich statt des in Figur 3 mit 9 gekennzeichneten Verlaufs ein Verlauf 9' ergibt, bei dem sichergestellt ist, dass stets nur ein Schnittpunkt mit der Rohrnetzkennlinie gegeben ist. Bei der Darstellung nach Figur 3 ist zum Vergleich die Rohrnetzkennlinie Rb eingezeichnet, die nahezu horizontal und daher für diesen Anwendungsfall besonders kritisch ist. Die Rohrnetzkennlinie Rb als solche kann in an sich bekannter Weise erfasst werden, sodass in der Steuerung oder Regelung der Pumpe die sich einstellenden Rohrnetzkennlinien abgelegt und entsprechende Drehzahlanhebungen nur in diesem kritischen Bereich erfolgen können, wie dies anhand von Figur 3 dargestellt ist.

[0017] Für die Anhebung der Drehzahl zu abfallenden Fördermengen hin ist es pumpenseitig erforderlich, die Fördermenge - auch Förderstrom genannt - zu erfassen. Dies kann entweder durch geeignete Sensorik durch direkte Messung, oder aber bevorzugt durch indirekte Messung anhand der elektrischen Größen des die Pumpe antreibenden Elektromotors erfolgen. So kann durch Messung der elektrischen Leistungsaufnahme des Motors die Fördermenge der Pumpe zumindest im Bereich der Instabilität der Pumpenkennlinie erfasst werden, wenn, was typischerweise der Fall ist, die Leistungsaufnahme mit dem Förderstrom streng monoton steigt oder fällt.

[0018] Anhand von Figur 4 ist dargestellt, wie sich die Leistungsaufnahme des die Pumpe antreibenden Motors P in Abhängigkeit der Fördermenge (des Förderstromes) Q verändert. Besonders günstig ist es daher mit fallender Fördermenge die Leistungsaufnahme der Pumpe konstant zu regeln, wie dies in Figur 4 anhand des Kurventeils 10' dargestellt ist. Die Leistungsaufnahme konstant zu regeln ist technisch in einfacher Weise realisierbar und bewirkt den anhand von Figur 3 beschriebenen Effekt, dass die Pumpenkennlinie 9 im Bereich kleiner werdender Fördermengen Q angehoben wird.

[0019] Die Erhöhung der Drehzahl bei fallender Fördermenge Q bzw. die entsprechende Absenkung der Drehzahl bei steigender Fördermenge Q erfolgt dabei stets so schnell, dass die Massenträgheit der im Rohrsystem befindlichen und von der Pumpe geförderten Flüssigkeit so groß ist, dass die Anhebung der Drehzahl erfolgt ist, bevor sich ein instabiler Betriebspunkt K überhaupt einstellen kann. Bei wenigen Metern Leitungslänge genügen hier Zeitkonstanten bzw. Regelzeitkonstanten von 300 ms, üblicherweise reichen jedoch Zeitkonstanten bzw. Regelzeitkonstanten, die kleiner als eine Sekunde sind, aus.

Bezugszeichenliste

[0020] 

0

Flüssigkeitsniveau im Tank 2

1

Kreiselpumpe

2

Vorratstank

3

Leitung

4

Rückschlagventil

5

Absperrventil

6

Behälter

7

Niveau 1

8

Niveau 2

9

Pumpenkennlinie

10

Leistungskennlinie

9'

angehobene Pumpenkennlinie

10'

etwa konstante Leistung

Hg1

Förderhöhe

Hg2

Förderhöhe

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit instabiler Pumpenkennlinie, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Pumpenkennlinie zu niedrigen Fördermengen hin durch Drehzahlerhöhung soweit angehoben wird, dass sich nur ein Schnittpunkt mit der aktuellen Rohrnetzkennlinie ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (open loop) vorgesehen ist, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Fördermengen hin anhebt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, welche die Drehzahl des Pumpenaggregats zu geringen Fördermengen hin anhebt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise untergeordnete Regelung vorgesehen ist, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Fördermengen hin konstant regelt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise untergeordnete Steuerung/Regelung so ausgelegt ist, dass sie schneller als die Trägheit der geförderten Flüssigkeitssäule ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung/Regelung eine Zeitkonstante/Regelzeitkonstante von weniger als einer Sekunde, vorzugsweise unter 300 ms aufweist.

Zeichnung