[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Pumpenanordnung,
wie sie beispielsweise in kryotechnischen Anlagen eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft
ferner eine Anordnung mit einer oder mehreren Pumpen zum Bereitstellen von druckbeaufschlagter
kryogener Flüssigkeit, wobei sich die Anordnung beispielsweise zum Einsatz in einer
Luftverflüssigungsanlage eignet.
[0002] Die Ansteuerung und Regelung von Pumpenantrieben auf vorgegebene Sollwerte, wie zum
Beispiel ein gewünschter Ausgangsdruck, in Abhängigkeit von verschiedenen messbaren
Größen, wie zum Beispiel ein Differenzdruck zwischen Eintrittsseite und Austrittsseite
einer Pumpe, Volumen- oder Massenströmen, Drehzahl des Pumpenantriebs o. Ä., ist insbesondere
bei großtechnischen fluidverarbeitenden Anlagen notwendig. Als Pumpenantriebe sind
dabei Asynchronmotoren, die mit Drehstrom betrieben werden, verbreitet. Häufig werden
kryogene Pumpen, also Pumpen, die kryogene Flüssigkeiten bei Temperaturen von kleiner
als -170°C, mit entsprechenden Drehstromasynchronmaschinen betrieben. Insbesondere
bei Tieftemperaturanwendungen, wie beispielsweise Luftzerlegungsanlagen, wird eine
kryogene Flüssigkeit oder verflüssigte Luft, durch kryogene Pumpen auf einen vorgegebenen
Betriebsdruck gebracht und dann zum Beispiel weiteren Anlageteilen, wie einem Wärmetauscher,
zugeführt.
[0003] Um einen möglichst zuverlässigen und gleichmäßigen Druck in der kryogenen Flüssigkeit
aufrecht zu erhalten, werden meist redundante Pumpen parallel eingesetzt, um beim
Ausfall einer der Pumpen dennoch den notwendigen Druck im Tieftemperatursystem aufrecht
zu erhalten. Zum Beispiel können redundante Pumpenpaare vorgesehen werden, bei denen
eine Betriebspumpe ständig im Einsatz ist und bei deren Ausfall eine Ersatzpumpe anspringt
und die ausgefallene Pumpenleistung ersetzt. Für derartige Ersatzpumpen sind so genannte
Slow-Roll-Betriebsmodi bekannt, in denen der Antriebsmotor zwar aktiv ist, die Pumpe
jedoch nur eine minimale Förderarbeit leistet.
[0004] Damit beim Ausfall der Betriebspumpe der Druck im Hochdruckbereich der entsprechenden
Anlage nicht zu stark absinkt, ist es notwendig, die redundante Ersatzpumpe möglichst
schnell in einen Betriebszustand zu bringen, der dem ursprünglichen Betriebszustand
der Betriebspumpe entspricht. D.h. in der Regel muss die Drehzahl der Ersatzpumpe
möglichst schnell die Drehzahl der ausgefallenen Betriebspumpe erreichen. Üblicherweise
ist die Drehzahl der jeweiligen Pumpe, die Förderarbeit leistet, durch Betriebsvorgaben
der jeweiligen Anlage bestimmt und wird in einem Regelkreis eingestellt. Die Drehzahl
eines Asynchronmotors ist im Wesentlichen durch die Drehstromfrequenz vorgegeben,
mit der er betrieben wird. Bei konventionellen Regelungen wird daher ein Frequenzwandler
eingesetzt, der die Drehstromfrequenz für den die Pumpe antreibenden Motor bereitstellt.
Eine entsprechende Regeleinrichtung setzt in Abhängigkeit von dem Druck des pumpenausgangsseitig
vorliegenden Produktes die Drehstromfrequenz für die Pumpen- bzw. Asynchronmotoren
fest.
[0005] Fällt eine Pumpe aus, muss eine Ersatzpumpe schnell auf die erforderliche Drehzahl
gebracht werden. Insbesondere in der Hochfahrphase entwickelt ein entsprechender Pumpenantrieb
jedoch nicht immer sein stärkstes Drehmoment, wodurch das Erreichen des gewünschten
Förderergebnisses der Ersatzpumpe verzögert wird. Dadurch können pumpenausgangsseitig
ungewünschte Druck- und Mengenschwankungen in dem gelieferten Produkt auftreten.
[0006] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Hochfahren von Pumpenanordnungen bereitzustellen.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
[0008] Demgemäß ist ein Verfahren zum Ansteuern einer Pumpenanordnung mit einer ein Fluid
fördernden Pumpe, welche einen Pumpenantrieb aufweist, mit einer ein Bypassventil
aufweisenden Bypassleitung vorgesehen. Die Bypassleitung dient zur Rückführung von
Fluid in ein eintrittsseitiges Reservoir. Dabei wird während des Hochfahrens des Pumpenantriebs
auf eine vorgegebene Zieldrehzahl das Bypass-Ventil derart gesteuert, dass der Volumenstrom
durch die Pumpe bei einer jeweiligen Förderhöhe zwischen einem Kavitationsvolumenstrom
und dem um eine vorgegebene maximale Volumenstromabweichung erhöhten Kavitationsvolumenstrom
liegt.
[0009] Zum Beispiel kann eine Regellinie für den Betriebspunkt der Pumpe festgelegt werden,
welche möglichst nahe einer Kavitationsgrenzlinie verläuft, wodurch eine günstige
Reduktion des Volumenstroms eintritt, ohne dass Kavitation auftreten kann.
[0010] Insbesondere beim Betrieb von kryogenen Pumpen ist es notwendig, Kavitation zu verhindern,
was durch Regelung des Volumenstroms oberhalb des Kavitationsvolumenstroms erfolgen
kann. Ferner ergibt sich durch die vorgeschlagene Regelung des Bypass-Ventils, dass
der Volumenstrom zumindest teilweise während des Hochfahrvorgangs reduziert wird und
sich nahe einer unteren Kavitationsgrenzlinie befindet. Vorzugsweise wird das Bypass-Ventil
ferner derart gesteuert, dass der Volumenstrom bei einer jeweiligen Förderhöhe in
einem Volumenstrombereich liegt, welcher zwischen einem unterem Grenzvolumenstrom
und dem um die vorgegebene maximale Volumenstromabweichung erhöhten Kavitationsvolumenstrom
liegt.
[0011] Es kann zum Beispiel eine Regellinie für den Volumenstrom definiert werden, die im
Wesentlichen parallel zu der unteren Kavitationsgrenzlinie verläuft. Der untere Grenzvolumenstrom
liegt dann zum Beispiel zwischen der Regellinie und der Kavitationsgrenzlinie, und
ein oberer Grenzvolumenstrom verläuft in einem entsprechenden Förderhöhen-Volumenstrom-Diagramm
rechts von der Regellinie. Der Bereich ist derart bestimmt, dass auch bei Überschwingern
in der Regelung der Kavitationsvolumenstrom niemals unterschritten wird.
[0012] Durch die Reduktion des Volumenstroms ergibt sich ein niedrigeres hydraulisches Bremsmoment
wodurch eine Beschleunigung auf die Zieldrehzahl erleichtert wird. Mittelbar wird
somit das hydraulische Bremsmoment in der Anlaufphase minimiert.
[0013] Es bietet sich zum Beispiel eine Implementierung des Verfahrens als Kavitationsgrenzregler
an, welcher aus der Differenz zwischen einem Eintrittsdruck und einem Austrittsdruck
der Pumpe und dem aktuellen Volumenstrom das Bypass-Ventil steuert. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass im Anlaufvorgang des Pumpenantriebs
im Wesentlichen entlang einer Kavitationsgrenzlinie verfahren wird. Dadurch wird ein
besonders geringer Volumenstrom gewährleistet. Vorzugsweise wird beispielsweise ein
aktueller Volumenstrom in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen einer Eintrittsseite
und einer Austrittsseite der Pumpe und/oder der aktuellen Drehzahl des Pumpenantriebs
ermittelt.
[0014] In einer Variante des vorhergehend beschriebenen Verfahrens wird mindestens einer
der folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
[0015] Bereitstellen eines geöffneten Bypassventils oder Öffnen des Bypassventils. Häufig
liegt beim Ausfall einer Pumpe eine Betriebssituation vor, in der das Bypassventil
zu 100% geöffnet ist. Eine als Ersatzpumpe vorgehaltene Pumpe im Slow-Roll- oder Stand-by-Betrieb
hat in der Regel einen geöffneten Bypass. Ausgehend von diesem Zustand erfolgt dann
eine Minimierung des Volumenstroms, um möglichst schnell die jeweilige Ersatzpumpe
auf die vorgegebene Drehzahl zu bringen.
[0016] Vorgeben einer Zieldrehzahl eines Pumpenantriebs in Abhängigkeit von einem vorgegebenen
Austrittsdruck. Ein übergeordneter Druckregler liefert beispielsweise in Abhängigkeit
von dem abgefragten Produkt in der Ausgangsleitung eine Drehzahl für die Pumpe. Denkbar
ist auch der Einsatz mehrerer Pumpen parallel, die eine gemeinsame Hochdruckflüssigkeitsleitung
bedienen. Ein entsprechender Druckregler liefert dann eine Zieldrehzahl für diese
Pumpen.
[0017] Reduzieren des Durchflusses des Bypass-Ventils zum Erhöhen der Förderhöhe der Pumpe
und Reduzieren des Volumenstroms bei einer vorgegebenen maximalen Änderung der Drehzahl
des Pumpenantriebs während einer ersten Hochfahrphase. Es kann zum Beispiel eine maximale
Drehzahländerung von 10%, vorzugsweise 5%, während der ersten Hochfahrphase gewünscht
sein. Das Bypass-Ventil sollte so schnell geschlossen werden, dass sich die Drehzahl
nicht wesentlich erhöht. Bei einer Gesamthochfahrdauer der jeweiligen Pumpe von zum
Beispiel 10 Sekunden, kann ein Schließen innerhalb von einer Sekunde erfolgen. Durch
die Reduktion des Durchflusses und gleichzeitige Erhöhung der Förderhöhe nähert sich
der Betriebspunkt der Pumpe der Kavitationsgrenzlinie, also in Richtung zu einem minimal
möglichen Volumenstrom ohne Kavitation zu provozieren. Vorzugsweise wird in der ersten
Hochfahrphase ein Betriebspunkt der Pumpe im Wesentlichen entlang einer Förderhöhen-Volumenstrom-Kennlinie
der Pumpe bei konstanter Drehzahl betrieben. Zum Beispiel kann das Bypass-Ventil gerampt
werden, also in einem vorgegebenen Zeitraum um eine vorgegebene Öffnung verändert
werden. Es kann auch ein Sollwert für den auf das Bypass-Ventil wirkenden Regler mit
einem entsprechenden zeitlichen Verlauf für die Ventilstellung in dieser ersten Hochfahrphase
eingestellt werden.
[0018] In einer zweiten Hochfahrphase Regeln des Bypass-Ventils zum Erhöhen der Drehzahl
des Pumpenantriebs derart, dass bei einer ansteigenden Förderhöhe der Volumenstrom
größer ist als der Kavitationsvolumenstrom. Dabei entspricht der Kavitationsvolumenstrom
einem minimal notwendigen Volumenstrom zur Vermeidung von Kavitation bei einer jeweiligen
Förderhöhe. In der zweiten Phase wird somit ein minimaler akzeptabler Volumenstrom
gewährleistet ohne Kavitation zu provozieren. Vorzugsweise wird die Pumpe dabei in
einem Betriebspunkt in der zweiten Hochfahrphase im Wesentlichen parallel zu einer
Kavitationsgrenzlinie eines Förderhöhen-Volumenstrom-Kennlinienfeldes der Pumpe betrieben.
[0019] Schließen des Bypass-Ventils bei Erreichen einer vorgegebenen Förderhöhe oder einem
vorgegebenen Austrittsdruck in einer dritten Hochfahrphase. Sobald beispielsweise
der von einem Druckregler geforderte Druck austrittsseitig erreicht ist, kann auch
der Volumenstrom wieder erhöht werden, was durch Schließen des Bypassventils erzielt
wird. Dies kann prinzipiell solange erfolgen, bis ein auf das Bypass-Ventil wirkender
Druckregler einen Maximaldruck erfasst. Dann müsste das Bypass-Ventil geöffnet werden.
[0020] Grundsätzlich kann ein Schließen des Bypass-Ventils auch in anderen Betriebssituationen
notwendig sein. Wenn zum Beispiel auf der Austrittsseite Fluid entnommen wird, kann
die Regelung ein Reduzieren der Bypass-Ventilöffnung veranlassen.
[0021] Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz bei einem Asynchronmotor als Pumpenantrieb
mit einer Drehstromfrequenz, welcher der vorgegebenen Zieldrehzahl entspricht. Näherungsweise
kann die aktuelle Drehzahl dabei auch durch die Synchrondrehzahl angenähert werden.
Der sich ergebende Schlupf kann vernachlässigt werden.
[0022] Es ist ferner eine Pumpenanordnung mit mindestens einer Pumpe, einem Reservoir und
einer Steuereinrichtung vorgesehen. Die Pumpe hat dabei einen Pumpenantrieb, und das
Reservoir ist pumpenaustrittsseitig über eine Bypass-Leitung mit der Pumpe verbunden.
Die Bypass-Leitung verfügt dabei über ein Bypass-Ventil. Ferner liefert das Reservoir
pumpeneintrittsseitig zu förderndes Fluid. Die Steuereinrichtung ist dabei derart
eingerichtet, dass ein vorbeschriebenes Verfahren durchgeführt wird.
[0023] Die Pumpenanordnung kann dabei eine Kavitationsgrenzregelungseinrichtung aufweisen,
welche das Bypass-Ventil in Abhängigkeit von einem aktuellen Volumenstrom durch die
Pumpe und einer aktuellen Drehzahl des Pumpenantriebs der Pumpe steuert. Eine Regelung
kann auch in Abhängigkeit von dem Differenzdruck zwischen Eingangs- und Ausgangsseite,
der aktuellen Drehzahl und/oder der Förderhöhe erfolgen. Die Kavitationsgrenzregelungseinrichtung
ist vorgesehen, da ansonsten, insbesondere bei Tieftemperaturfluiden, Schäden durch
Kavitation auftreten können. Es kann darüber hinaus ein den Austrittsdruck erfassender
Druckregler vorgesehen werden, welcher das Bypass-Ventil derart steuert, dass ein
vorgegebener maximaler Austrittsdruck nicht überschritten wird. Die Steuerung durch
die Kavitationsgrenzregelungseinrichtung sollte jedoch priorisiert sein.
[0024] Eine oder mehrere entsprechende Pumpenanordnungen eignen sich insbesondere zum Einsatz
in Luftzerlegungsanlagen mit kryogenen Pumpen. Die Steuereinrichtung kann dabei ferner
die Zieldrehzahl der jeweiligen kryogenen Pumpe in Abhängigkeit von Betriebsvorgaben
für ein Verfahren zur Luftzerlegung vorgeben.
[0025] Insbesondere wenn Ersatzpumpen zugeschaltet werden müssen bzw. hochgefahren werden,
erreicht man durch das erfindungsgemäße Vorgehen eine Minimierung des hydraulischen
Momentes. Dies beschleunigt den Hochlaufprozess. Dadurch werden auftretende Druck
oder Mengenschwankungen deutlich reduziert. Das Verfahren kann auch für jede Ersatz-
oder Betriebspumpe bei parallel arbeitenden kryogenen Pumpen angewendet und implementiert
werden.
[0026] In einer Variante der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, welches
die Durchführung eines entsprechenden Verfahrens zum Ansteuern eines Pumpenantriebs
auf einer programmgesteuerten Rechner- oder Steuereinrichtung veranlasst. Als programmgesteuerte
Rechner- oder Steuereinrichtung kommt zum Beispiel ein PC oder ein Rechner einer Leitwarte
zur Steuerung und Regelung von Anlagen in Frage, auf dem entsprechende Software installiert
ist. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise in der Art eines Datenträgers
wie zum Beispiel USB-Stick, Floppy-Disk, CD-ROM, DVD implementiert werden oder auch
auf einer Servereinrichtung als herunterladbare Programmdatei implementiert sein.
[0027] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren
wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die
beigelegten Figuren näher erläutert.
[0028] Es zeigt dabei:
Fig. 1: eine Darstellung einer Anlage mit mehreren steuerbaren Pumpen zum Bereitstellen
einer druckbeaufschlagten kryogenen Flüssigkeit;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Pumpenanordnung, welche zur Durchführung
einer Variante des erfindungsgemäßen Hochfahrverfahrens geeignet ist; und
Fig. 3: ein Förderhöhen-Volumenstrom-Diagramm zur Erläuterung von Hochfahrphasen eines
Pumpenantriebs.
[0029] Bei Luftzerlegungsanlagen mit Innenverdichtung wird zum Beispiel kryogene Luft oder
Flüssigkeiten (LIN, LOX, LAR = flüssiger Stickstoff, Sauerstoff, Argon) durch Pumpen
oder Fördern auf einen Betriebsdruck gebracht und einem Wärmetauscher der entsprechenden
Luftzerlegungsanlage (ASU = Air Seperation Unit) zugeführt. Die entsprechende kryogene
Flüssigkeit wird dann darin verdampft. Um beim Ausfall einer der Pumpen dennoch den
jeweiligen Prozess weiterführen zu können, sind redundante Pumpen vorgesehen, die
beim Ausfall der eigentlichen Betriebspumpe als Ersatzpumpe einspringen. Es ist auch
denkbar, dass von einem gemeinsamen Reservoir oder Tank mehrere einzelne Anlagenteile
mit kryogener Flüssigkeit unter Druck beliefert werden. Dies ist zum Beispiel in der
Figur 1 schematisch dargestellt.
[0030] Es ist eine gemeinsame Hochdruckflüssigleitung 1 vorgesehen, die von drei Pumpen
2, 3, 4 mit Hochdruckflüssigkeit versorgt wird. Die Pumpen beziehen das jeweilige
Produkt über eine Zuleitung 5 von einem gemeinsamen Reservoir oder Tank 6. Für jede
Pumpe ist ein Bypass-Rücklauf 7, 8, 9 mit jeweils einem druckgesteuerten Ventil 10,
11, 12 vorgesehen. Jede Pumpe 2, 3, 4 ist ferner über ein Rückschlagventil 13, 14,
15 gegenüber der gemeinsamen Hochdruckflüssigleitung 1 gesichert.
[0031] An die gemeinsame Hochdruckflüssigleitung 1 sind in dem Beispiel der Figur 1 drei
Anlagenteile angekoppelt. Beispielsweise sind zwei Wärmetauscher 16, 17 von Luftzerlegungsanlagen
und ein Back-Up-System 18 an die gemeinsame Hochdruckflüssigkeitsleitung 1 gekoppelt.
Gasseitig wird dabei jeweils der Produktdruck über druckgesteuerte Ventile 19, 20
geregelt. Die jeweils erforderliche Produktmenge wird ebenfalls über Ventile 21, 22
gesteuert. Ähnlich erfolgt eine Entnahme von Hochdruckflüssigkeit aus der gemeinsamen
Leitung 1 durch das Back-Up-System 18 über ein von einem Regler 23 gesteuertes Ventil
24.
[0032] Über eine Steuereinrichtung 25 wird der erforderliche Druck durch Ansteuerung der
Pumpen 2, 3, 4 in der gemeinsamen Hochdruckleitung 1 geregelt. Im Normalbetrieb sind
dabei zum Beispiel die Pumpen-Bypässe 8, 9 geschlossen, und für die Pumpen bzw. die
darin eingesetzten Asynchronmotoren ist eine geeignete Drehstromfrequenz vorgegeben.
Die Ersatzpumpe 2 arbeitet dann zum Beispiel in einem Slow-Roll-Modus, und das zugehörige
Bypass-Ventil ist zu 100% geöffnet. In der Regel entspricht die Anzahl der vorgehaltenen
Pumpen 2, 3, 4 der Anzahl der aus der gemeinsamen Hochdruckleitung 1 entnehmenden
Teilanlagen 16, 17. Ist der Einsatz des Back-Up-System notwendig, muss auch die dritte
Pumpe hochgefahren werden.
[0033] Falls eine Pumpe ausfällt, muss eine redundante Ersatzpumpe möglichst schnell hochfahren,
um die Druckschwankungen in der gemeinsamen Flüssigleitung 1 zu minimieren. Im Normalbetrieb
gibt der Regler oder die Steuereinrichtung 25 an die Pumpen eine vorgegebene Drehstromfrequenz
nsyn in Abhängigkeit von den Betriebsvorgaben der angeschlossenen weiteren Anlagenteile
aus.
[0034] In der Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Pumpenanordnung im Ausschnitt
dargestellt, wie sie zum Beispiel in der Figur 1 für die Pumpen 2, 3, 4 ausgeführt
sein kann.
[0035] Dabei entsprechen gleiche Bezugszeichen den in der Figur 1 dargestellten Elementen.
Die Pumpe 2 ist von einem Motor 26 angetrieben, wobei die jeweilige Drehzahl über
ein Steuersignal CT3 von einer Auswerteeinrichtung 27 gesteuert wird. Der Druckregler
25, welcher den Austrittsdruck der gemeinsamen Flüssigkeitsleitung 1 misst, liefert
eine Zieldrehzahl NZ an die Auswerteeinrichtung 27. Ferner wird über einen Geschwindigkeitssensor
28 die aktuelle Drehzahl nakt des Motors 26 geliefert.
[0036] Prinzipiell kann in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl nakt und der gewünschten
Drehzahl nz der Motor 26 vorzugsweise in einen Betriebsbereich gefahren werden, in
dem sein Drehmoment prinzipiell maximal ist. In der Startphase, also beim Zuschalten
des Antriebs 26 einer Ersatzpumpe 2, kann dies zum Beispiel erreicht werden, indem
der als Asynchronmotor ausgeführte Antrieb 26 in der Nähe seines Kipppunktes betrieben
wird.
[0037] Darüber hinaus ist eine Kavitationsgrenzregelung vorgesehen mit einer Kavitationsgrenzregeleinrichtung
30, die ein Steuersignal CT1 an die Regeleinrichtung bzw. Abfrageeinrichtung 32, welche
das Bypass-Ventil bedient, liefert. Ferner ist pumpeneintrittsseitig ein Druckmesser
29 vorgesehen, welcher den Eintrittsdruck p
I misst und der Kavitationsgrenzregeleinrichtung 30 liefert. Genauso ist austrittsseitig
ein Druckregler 31 vorgesehen, der einerseits den Austrittsdruck p
O an den Kavitationsgrenzregler 30 liefert und andererseits ein Steuersignal CT2 an
die Regeleinrichtung 32 übermittelt, um bei einem Übertreten eines maximal zulässigen
Austrittsdrucks das Bypass-Ventil 10 zu öffnen. Die verschiedenen Regelungsmechanismen
wie Kavitationsgrenzregelung und Druckregler 31 für das Bypass-Ventil 10 können prinzipiell
unabhängig voneinander erfolgen, wobei jedoch der Kavitationsgrenzregler 30 ein gegenüber
dem Steuersignal CT2 priorisiertes Steuersignal CT1 liefert. Es ist zum Beispiel möglich,
dass der Regler 32 immer eine Maximumauswahl zwischen den Werten des Steuersignals
CT1 von dem Kavitationsgrenzregler 30 und des Steuersignals CT2 von dem Druckregler
31 vornimmt. Dadurch ist sicher gestellt, dass keine Kavitation auftritt, und dennoch
sowohl der Ausgangsdruck zuverlässig geregelt wird.
[0038] Der als Druckregler (PIC) dargestellte Regler 31 kann in anderen Ausführungsformen
einer entsprechenden Pumpenanordnung auch als Handregler (HIC) ausgeführt werden.
[0039] Die von der Pumpe gelieferte Förderleistung P
Q ergibt sich aus dem Volumenstrom V̇ und der spezifischen Förderarbeit Y, welche die
in die Strömung eingeprägte Arbeit darstellt. Dies kann durch folgende Gleichung dargestellt
werden:

[0040] Dabei steht p für die Dichte des Fluides, g für die Erdbeschleunigung und H für die
Förderhöhe, welche sich aus der spezifischen Förderarbeit ableiten lässt. Die Förderhöhe
H kann auch über die Druckdifferenz zwischen dem Austrittsdruck und dem Eintrittsdruck
Δp = p
O-p
I angenähert werden. Die entsprechenden Größen sind, wie in der Figur 2 dargestellt
ist, über entsprechende Sensoren oder Regler zugänglich.
[0041] Die von der Pumpe aufzubringende hydraulische Leistung P
Q ergibt sich aus der mechanischen Leistung P
M multipliziert mit dem Wirkungsgrad η. Um in der Hochfahrphase der Pumpe eine möglichst
geringe Leistung abzuverlangen und damit eine schnelle Drehzahlerhöhung zu ermöglichen,
wird zum Beispiel vorgeschlagen, den Volumenstrom V̇ zu erniedrigen bzw. gering zu
halten. Die mechanische Leistung ergibt sich aus dem von dem Pumpenantrieb 26 entwickelten
Drehmoment MH multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit P
M = MH ω. Daher ergibt sich der Zusammenhang:

[0042] Somit ergibt sich durch einen geringen Volumenstrom V̇ ein geringeres notwendiges
Drehmoment MH bzw. Bremsmoment durch den Pumpenantrieb 26. Dies gilt insbesondere
für Pumpen mit einer flachen Kennlinie. Die Figur 3 stellt anhand eines Förderhöhen-Volumenstrom-Diagramms
einen möglichen Verlauf des Betriebspunktes einer hochfahrenden Pumpe gemäß einer
Variante des Verfahrens zum Hochfahren eines Pumpenantriebs 26 dar.
[0043] Die Figur 3 zeigt die entsprechenden Kennlinien n1, n2, n3, n4, n5 in dem Förderhöhen-Volumenstrom-Diagramm,
wobei n1-n5 für verschiedene Drehzahlen des Pumpenantriebs 26 stehen. Auf der X-Achse
ist der Volumenstrom V̇ und auf der Y-Achse die Förderhöhe H angegeben. Die Förderhöhe
H ist in der Regel proportional zu n
2, wenn ein konstanter Wirkungsgrad η angenommen werden kann. Mit steigender Drehzahl
n vergrößern sich die von den Kennlinien n1-n5 umschlossenen Flächen in der Ebene.
n1 kann zum Beispiel als mögliche Slow-Roll-Drehzahl 45% - 50% der maximal gewünschten
Drehzahl n5 ensprechen. Es sind ferner zwei Kavitationsgrenzlinien KG1 und KG2 dargestellt.
Unterschreitet bei einer vorgegebenen Drehzahl, beispielsweise n2 der Volumenstrom
V̇ die Kavitationsgrenzlinie KG1, besteht großes Kavitationsrisiko und damit eine
Zerstörungsgefahr für die Pumpe. Das sich ergebende Bremsmoment lässt sich anhand
der Figur 3 durch die Rechteckfläche illustrieren, die bei einem vorgegebene Betriebspunkt,
zum Beispiel BP1, durch den Betriebspunkt und den Ursprung des Diagramms festgelegt
ist.
[0044] Der aktuelle Volumenstrom V̇ kann aus einem Diagramm des Pumpenherstellers über die
Drehzahl n und den Differenzdruck Δp ermittelt werden. Da diese Größen dem Kavitationsgrenzregler
30, wie in der Figur 2 dargestellt ist, zugeführt sind, kann dieser ein Unterschreiten
der Kavitationsgrenzlinie KG1 durch Öffnen des Bypass-Ventils 10 unterbinden. Im Normalbetrieb,
wenn ausreichend Produkt aus der Flüssigkeitsleitung 1 entnommen wird, ist das Bypass-Ventil
in der Regel vollständig geschlossen, der Kavitationsgrenzregler 30 gibt über das
Steuersignal CT1 dann 0% Öffnung an.
[0045] In einer ersten Hochfahrphase, welche in der Figur 3 durch P1 als gestrichelter Pfeil
angedeutet ist, wird das Bypass-Ventil 10 derart gesteuert, dass die Drehzahl nur
um einen geringen Wert Δn, ausgehend von der aktuellen Drehzahl n1 schwankt und ausgehend
von BP1 ein Betriebspunkt BP2 erreicht wird, der einen um den minimal notwendigen
Volumenstrom der Kavitationsgrenzlinie KG1 (Kavitationsvolumenstrom) erhöhten Volumenstrom
bei der vorgegebenen Förderhöhe aufweist. Zum Beispiel kann festgelegt werden, dass
die Drehzahl nakt nicht stärker als 10%, vorzugsweise 5%, schwanken soll. Es wird
ein Abstand gemäß einer Regellinie von dem Kavitationsvolumenstrom gewährleistet.
Der Abstand ergibt dabei sich derart, dass auch außergewöhnliche Schwankungen im Betrieb
der Pumpe nicht ein Volumenstrom unterhalb der Kavitationsgrenzlinie verursachen können.
[0046] Ausgehend von einem vollständig geöffneten Bypass-Ventil 10 wird dieses während der
ersten Hochfahrphase P1 geschlossen bzw. der Durchfluss reduziert. Während dieser
ersten Hochfahrphase P1 wird die Drehzahl nur gering um Δn erhöht, wobei jedoch der
Volumenstrom V̇ erheblich reduziert wird, was zu einem geringen hydraulischen Bremsmoment
PM führt.
[0047] Im weiteren Verlauf des Hochfahrvorgangs in einer zweiten Hochfahrphase P2 wird ausgehend
vom Betriebspunkt BP2 die Bypass-Ventilstellung 10 derart geregelt, dass ein Betriebspunkt
BP3 erreicht wird, der einen höheren Volumenstrom und eine höhere Förderhöhe H als
der Betriebspunkt BP2 hat. Im Wesentlichen erfolgt eine Regelung des Bypass-Ventils
derart, dass der Betriebspunkt parallel zu der Kavitationsgrenzlinie KG1 verläuft.
Dabei wird ein Abstand im Volumenstrom von der Kavitationsgrenzlinie KG1 eingehalten.
Die entsprechenden Regelparameter, um die Pumpe gemäß der zweiten Hochfahrphase P2
zu steuern, können zum Beispiel in dynamischen Simulationen oder experimentell ermittelt
und optimiert werden.
[0048] Es ist dazu ferner eine Regellinie RL dargestellt, die parallel zu der oberen Kavitationsgrenzlinie
KG1 in einem Abstand ΔV̇-dV̇ verläuft, wobei ΔV̇ > dV̇ ist. Um die Regellinie RL ist
dadurch ein Bereich VB definiert, den der Betriebspunkt während der zweiten Hochfahrphase
P2 nicht verlassen soll. Ein unterer Grenzvolumenstrom ist dann durch RL - dV̇ und
ein oberer Grenzvolumenstrom durch RL + dV̇ gegeben. Die Regellinie RL entspricht
dabei vorzugsweise einem Volumenstrom V, der 2%-10% über dem jeweiligen Kavitationsvolumenstrom
liegt. dV̇ hängt dabei von den Regelparametern, der Regelungsgenauigkeit und der tatsächlichen
Implementierung der Anlage ab. Es soll ein möglichst enger Bereich rechts der Kavitationslinie
für den Betriebspunkt gewährleistet sein.
[0049] In einer dritten Hochfahrphase P3 ist der Austrittsdruck der Pumpe ausreichend angestiegen,
so dass Fluid in das Produktnetz bzw. die Förderleitung 1 gefördert wird. Der Volumenstrom
V steigt nun stärker an und das Bypass-Ventil wird geschlossen. Dies erfolgt zum Beispiel
durch den Druckregler 31 der auf Set-Point-High (SPH) gesetzt ist. Durch Erhöhung
der Drehzahl wird der Betriebspunkt BP4 erreicht. Der Betriebspunkt BP4 liegt dabei
auf einer Förderhöhe bzw. entspricht einem Austrittsdruck, der dem Sollwert des auf
die Pumpendrehzahl wirkenden Druckreglers 25 entspricht. Dies ist über die gestrichpunktete
Linie PIC25 angedeutet. Die weitere horizontale, gestrichpunktete Kurve PIC31 in dem
Förderhöhen-Volumenstrom-Diagramm der Figur 3 entspricht dem Sollwert des auf das
Bypass-Ventil wirkenden Druckreglers 31.
[0050] Durch den Verlauf des Betriebspunktes entlang der Trajektorien P1, P2, P3 und Durchfahren
der Betriebspunkte BP1, BP2, BP3, BP4 wird ein besonders geringer Volumenstrom während
der Hochfahrphase erreicht. Dadurch muss der Motor nur ein geringes Drehmoment entwickeln
bzw. eine geringe hydraulische Leistung bereitstellen. In der Folge wird das Hochfahren
oder Anfahren von entsprechend angesteuerten Pumpen beschleunigt.
[0051] Die Erfindung schafft somit ein Verfahren, welches in den entsprechenden Regelungs-
oder Leitstellenrechnern von Anlagen implementiert werden kann, und eine Minimierung
der Hochlaufdauer eines Pumpenantriebs, insbesondere von kryogenen Innenverdichtungskreiselpumpen
ermöglicht. Das Verfahren lässt sich sowohl auf Einzelpumpen wie auch auf redundante
Ersatzpumpen bei mehreren gleichzeitig betriebenen Pumpen einsetzen und reduziert
Druck- und Produktmengenschwankungen ausgangsseitig. Das Verfahren lässt sich auch
einfach in bestehende Regelungskonzepte einbinden und ist unabhängig von der Anzahl
der eingesetzten und betriebenen Pumpen. Eine entsprechende analoge Kavitationsgrenzregelung
für die obere Kavitationsgrenze KG2 verhindert zudem bei groß dimensionierten Bypass-Ventilen
mögliche Schäden durch Kavitationen am jeweiligen Pumpenlaufrad, wenn beispielsweise
eine Ersatzpumpe im Slow-Roll-Modus läuft. Es kann zum Beispiel in weiteren Betriebssituationen
analog ein Bereich knapp unterhalb des oberen Kavitationsvolumenstroms KG2 bestimmt
werden, in dem ein Betriebspunkt verlaufen soll.
[0052] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert
wurde, ist sie nicht darauf beschränkt sondern vielfältig modifizierbar. Insbesondere
die dargestellten Topologien der Regelkreise kann verändert werden. Auch die Anwendung
auf kryogene Pumpen ist nicht einschränkend zu verstehen.
1. Verfahren zum Ansteuern einer Pumpenanordnung mit einer ein Fluid fördernden Pumpe
(2), welche einen Pumpenantrieb (26) aufweist, einer ein Bypass-Ventil (10) aufweisenden
Bypass-Leitung (7), welche zur Rückführung von Fluid in ein eintrittsseitiges Reservoir
(6) dient, wobei während eines Hochfahrens des Pumpenantriebs (26) auf eine vorgegebene
Zieldrehzahl (nz) zum Reduzieren eines Volumenstroms (V̇) durch die Pumpe das Bypass-Ventil
derart gesteuert wird, dass der Volumenstrom (V̇) bei einer jeweiligen Förderhöhe
(H) zwischen einem Kavitationsvolumenstrom (KG1) und dem um eine vorgegebene maximale
Volumenstromabweichung (ΔV̇) erhöhten Kavitationsvolumenstrom liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bypass-Ventil derart gesteuert wird, dass der
Volumenstrom (V̇) bei einer jeweiligen Förderhöhe (H) in einem Volumenstrombereich
(VB) liegt, welcher zwischen einem unterem Grenzvolumenstrom (KG1 + ΔV̇- 2dV̇) und
dem um die vorgegebene maximale Volumenstromabweichung (ΔV̇) erhöhten Kavitationsvolumenstrom
(KG1) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt
werden:
- Bereitstellen einer Pumpe mit einem geöffnetem Bypass-Ventil (10);
- Vorgeben einer Zieldrehzahl (nz) eines Pumpenantriebs (26) in Abhängigkeit von einem
vorgegebenen Austrittsdruck (PO);
- Reduzieren des Durchflusses des Bypass-Ventils (10) zum Erhöhen der Förderhöhe (H)
der Pumpe (2) und Reduzieren des Volumenstroms (V̇) bei einer vorgegebenen maximalen
Änderung der Drehzahl (Δn) des Pumpenantriebs (26) während einer ersten Hochfahrphase;
- Regeln des Bypass-Ventils (10) zum Erhöhen der Drehzahl (n) des Pumpenantriebs (26)
derart, dass bei einer ansteigenden Förderhöhe (H) der Volumenstrom (V̇) größer ist
als der Kavitationsvolumenstrom, welcher einem minimal notwendigen Volumenstrom zur
Vermeidung von Kavitation bei einer jeweiligen Förderhöhe (H) entspricht, in einer
zweiten Hochfahrphase; und
- Schließen des Bypass-Ventils (10) bei Erreichen einer vorgegebenen Förderhöhe (H)
oder einem vorgegebenen Austrittsdruck (PO) in einer dritten Hochfahrphase.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Betriebspunkt (BP1-BP2) der Pumpe (29 in der
ersten Hochfahrphase im Wesentlichen entlang einer Förderhöhen-Volumenstrom-Kennlinie
(n1) der Pumpe (2) bei konstanter Drehzahl betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Betriebspunkt (BP2-BP3) der Pumpe (2)
in der zweiten Hochfahrphase im Wesentlichen parallel zu einer Kavitationsgrenzlinie
(KG1) eines Förderhöhen-Volumenstrom-Kennlinienfeldes der Pumpe (2) betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 - 5, wobei ein aktueller Volumenstrom (V̇) in
Abhängigkeit von einer Druckdifferenz (Δp) zwischen einer Eintrittsseite und einer
Austrittsseite der Pumpe (2) und der aktuellen Drehzahl (nakt) des Pumpenantriebs
(26) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, ferner einen Verfahrenschritt umfassend:
Betreiben eines Asynchronmotors als Pumpenantrieb (26) mit einer Drehstromfrequenz,
welcher der vorgegeben Zieldrehzahl (nz) entspricht.
8. Pumpenanordnung mit mindestens einer Pumpe (2) mit einem Pumpenantrieb (26), einem
Reservoir (6), welches austrittseitig über eine Bypass-Leitung (7) mit einem Bypass-Ventil
(10) eintrittsseitig zu förderndes Fluid liefert, und einer Steuereinrichtung, welche
derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchgeführt
wird.
9. Pumpenanordnung nach Anspruch 8, wobei eine Kavitationsgrenzregelungseinrichtung (30)
vorgesehen ist, welche das Bypass-Ventil (10) in Abhängigkeit von einem aktuellen
Volumenstrom (V̇) durch die Pumpe (2) und einer aktuellen Drehzahl (nakt) eines Pumpenantriebs
(26) der Pumpe (2) steuert.
10. Pumpenanordnung nach Anspruch 9, wobei ein den Austrittsdruck (PO) erfassender Druckregelungseinrichtung (31) das Bypass-Ventil (10) derart steuert,
dass ein vorgegebener maximaler Austrittsdruck (PO) nicht überschritten wird, wobei die Steuerung durch die Kavitationsgrenzreglereinrichtung
(30) priorisiert ist.
11. Luftzerlegungsanlage, welche mindestens eine Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche
8 - 10 mit einer kryogenen Pumpe (2, 3, 4) aufweist, wobei die Steuereinrichtung ferner
die Zieldrehzahl (nz) der kryogenen Pumpe (2, 3, 4) in Abhängigkeit von Betriebsvorgaben
für ein Verfahren zur Luftzerlegung vorgibt.