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Der 3. Weg: Den Wirkungsgrad von Kreiselpumpen mit Software statt mit Laufradanpassung steigern
Fachbeitrag von Prof. Dr. Sven Urschel
Bei der Wahl einer Pumpe haben die Anwender in der Regel die Wahl zwischen festgelegten Drehzahlen und dem Einsatz von Pumpen mit Frequenzumrichtern. Nun eröffnet sich eine weitere praxisnahe Alternative – die „individuelle“ Festdrehzahl. KSB hat diesen Weg nun in Bezug auf den Wirkungsgrad detailliert untersucht.
Üblicherweise treibt man Pumpen in Industrieanwendungen mit ungeregelten Drehstrom-Asynchronmotoren an. Das Gros dieser Elektromotoren weist eine zwei- oder vierpolige Bauweise auf. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ergeben sich daraus Drehzahlen von rund 2.900 oder 1.450 Umdrehungen pro Minute.
In der Praxis beschränken sich die Anwendungen jedoch nicht immer auf einen einzigen Betriebspunkt, sondern sind breit gefächert. Daher muss eine Pumpenbaureihe aus vielen unterschiedlichen Baugrößen bestehen. Lücken im Angebot aufgrund der festen Pumpendrehzahl schließt man durch das Reduzieren des Laufraddurchmessers. Eine andere Möglichkeit bieten Frequenzumrichter. Mit ihnen kann man durch die Veränderung der Netzfrequenz die Drehzahl stufenlos verändern und für jede Pumpe individuell einstellen.
Um für einen bestimmten erforderlichen Betriebspunkt aus der gesamten Pumpenbaureihe die am besten geeignete Pumpe mit ungeregelten Motoren auszuwählen, hat der Anwender zwei Möglichkeiten:
Der einfachste Ansatz besteht darin, eine Pumpengröße auszuwählen, deren Pumpenkennlinie über dem gewünschten Betriebspunkt liegt. Das führt aber zu einer gewissen Überdimensionierung und bedeutet, dass die Pumpe eine größere Menge als benötigt fördern kann. Den Mengenüberschuss drosselt man in der Regel mit der Hilfe einer Armatur auf der Druckseite der Pumpe weg.
Eine elegantere und materialschonendere Methode ist es, den Laufraddurchmesser zu reduzieren und so die Fördermenge und die Förderhöhe auf den gewünschten Betriebspunkt anzupassen. Das geht natürlich nicht im laufenden Betrieb, sondern nur in ausgebautem Zustand der Pumpe.
Höherer Gesamtwirkungsgrad
Nun gibt es einen dritten Ansatz zur Feinjustierung der Pumpe und Erreichung des gewünschten Betriebspunktes. Hier kommt die „individuelle“ Festdrehzahl (im Folgenden auch „IFS“ genannt) ins Spiel. Dabei besitzt der Motor einen Frequenzumrichter, der es ermöglicht, die Drehzahl der Pumpe zwischen einer minimalen und maximalen Drehzahl zu variieren. Anstatt also den Betriebspunkt durch Änderung des Laufraddurchmessers anzupassen, wird hier die Drehzahl der Pumpe unter Beibehaltung des vollen Laufraddurchmessers eingestellt und im Betrieb konstant gehalten. Dieser Schritt erfolgt durch Parametereinstellungen in der Software.
So lassen sich die Kosten vermeiden, die durch mechanische Varianten entstehen würden. Während das Abdrehen des Laufrads nur eine Herabsetzung der Förderdaten erzeugen kann, ist mit der Drehzahlanpassung sogar eine Anhebung der Pumpenkennlinie möglich. Trotz der zusätzlichen Verluste, die ein Umrichter bei dieser „Festdrehzahl“-Anwendung erzeugt, führt dieser Ansatz zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad der Baureihe. Das Resultat ist eine Pumpenbaureihe, die aus weniger mechanischen Varianten besteht und eine höhere Leistungsdichte aufweist.
Überprüfung mit Simulationsmodell
Um zu überprüfen, ob der IFS-Ansatz geeignet ist, wurde ein Simulationsmodell herangezogen. Es basiert auf einem Satz von Messdaten aus einer relevanten existierenden Pumpenbaureihe. Die Pumpenauswahl und -justierung erfolgte auf der Grundlage der hier gemessenen Kennlinien unter Anwendung der bekannten Affinitätsgesetze für Kreiselpumpen. Ein ähnlicher Ansatz wurde auch für die Berechnung der Motor- und Umrichterdaten verwendet. In die Kalkulation flossen der Wirkungsgrad und der erforderliche Mindestvordruck (NPSHR-Wert) für Kreiselpumpen ein. Bei der Berechnung berücksichtigte man auch den Wirkungsgrad von Motor und Umrichter.
Simulationsergebnisse
Als Eingangsdaten wurden die gemessenen Pumpenkennlinien einer Standard-Pumpenbaureihe mit 22 unterschiedlichen Hydraulikgrößen genutzt. Das heißt, die verwendeten -Kennlinien wurden in realen Messungen ermittelt. Jede Pumpenbaugröße wurde mit mehreren Drehzahlen und mit mehreren angepassten Laufraddurchmessern gemessen. Um die Auswirkungen der unterschiedlichen Konstruktionsansätze deutlicher darzustellen, hat man sich zunächst auf einen einzelnen Kundenbetriebspunkt konzentriert.
Tabelle 1. Beispielhafte Auslegung für Q = 15 m³/h, H = 10 m
Ausführung ηhyd in % Baugröße
(Nominaldurchmesser des Laufrads in mm) Laufraddurchmesser in mm Betriebsdrehzahl
1/min.
Voller Laufrad-durchmesser 55.6 200 204 1450
Laufradan-passung 54.9 200 198 1450
Individuelle Festdrehzahl 63.7 160 174 1516
Der hydraulische Wirkungsgrad des Ansatzes „Voller Laufraddurchmesser“ ist ähnlich dem des Ansatzes „Laufradanpassung“, weil zur Erreichung des gewünschten Auslegungspunktes nur wenige Millimeter des Laufrades reduziert werden müssen. Der hydraulische Wirkungsgrad des Ansatzes „Individuelle Festdrehzahl“ ist hingegen deutlich höher, weil der Arbeitspunkt mit einer kleineren Pumpenbaugröße, maximalen Laufraddurchmesser und einer Drehzahl oberhalb der Netzdrehzahl erreicht werden kann.
Dieses Beispiel zeigt den Hauptvorteil des IFS-Ansatzes. Der Betriebsbereich einer Hydraulik wird durch die von der Netzfrequenz vorgegebenen Drehzahlen und die Motorpolzahl nicht eingeschränkt. Der Betriebsbereich einer guten Hydraulikgröße kann problemlos erweitert werden, ohne dass eine neue Hydraulikvariante erforderlich wäre.
Die Untersuchungen wurden u.a. auf einem Prüfstand der Hochschule Kaiserslautern durchgeführt.
Bewertung unter realen Bedingungen
Die bisherige Betrachtung hat sich bewusst auf ausgewählte Betriebspunkte konzentriert. Zieht man jedoch einen Datensatz von 5.000 zufällig verteilten Auslegungspunkten für einen Vergleich heran, muss diese Darstellung revidiert werden. Hierfür wurde die Menge aller Auslegungspunkte so ausgewählt, dass sie den gesamten Betriebsbereich abdeckt, der mit der Pumpenbaureihe erreicht werden kann.
Die Simulation zeigte, dass für die durchschnittlichen Baureihenwerte (Flottenwerte) der kleinste Anlagenwirkungsgrad der Baureihe (f= Fleet) durch den Ansatz „voller Laufraddurchmesser“ erreicht wird. Da bei diesem Ansatz die Drosselverluste deutlich ins Gewicht fallen, ist dies nicht verwunderlich. Durch den Ansatz „Laufradanpassung“ werden diese Verluste vermieden, was sich in der Erhöhung des Baureihen-Wirkungsgrads von 44,3 auf 54,9 % zeigt. Auch dies ist zu erwarten gewesen.
Beim IFS-Ansatz ist der durchschnittliche Baureihen-Wirkungsgrad noch etwas höher. Unter Berücksichtigung aller Hydraulikvarianten ist nun ein Wirkungsgrad von 57,8 % erreichbar. Die NPSHR-Werte für alle Ansätze sind ähnlich.
Tabelle 2. Durchschnittliche Baureihendaten
Ansatz ηf
in % NPSHR,f in m Abdeckung
in % NGrößen
Voller Laufrad-durchmesser 44.3 1.5 99.7 22
Laufradanpassung 54.9 1.6 99.3 22
IFS (alle Baugrößen) 57.8 1.6 99.9 22
IFS (kleinste) 57.6 1.6 99.8 9
Bemerkenswert ist, dass der Durchschnittswert des NPSHR bei den Ansätzen mit „individueller Festdrehzahl“ nicht ansteigt, obwohl hier im Allgemeinen höhere Pumpendrehzahlen möglich sind, was in den ersten beiden Ansätzen nicht der Fall ist. Eine zweite Erkenntnis ist, dass von den 22 Hydraulikvarianten nur 9 ausreichen, um den gesamten Betriebsbereich abzudecken.
Das Resultat: Mit der individuellen Festdrehzahl lässt sich der durchschnittliche Wirkungsgrad der Pumpenbaureihe steigern. Die zusätzlichen Umrichterverluste werden durch einen hocheffizienten Motor und einen besseren hydraulischen Wirkungsgrad aufgrund des vollen Laufraddurchmessers sowie möglichst hoher Drehzahlen mehr als kompensiert. Dadurch kann die Anzahl der in den Pumpenanwendungen verwendeten mechanischen Varianten deutlich reduziert werden, ohne den Anwendungsbereich im hydraulischen (Q, H) Bereich einzuschränken.
Zwar steigen die Kosten der Pumpe durch den Einbau eines Umrichters, dafür können jedoch Komponenten wie Motorschutz, eine eventuell benötigte Stern-Dreieck-Umschaltung oder der Sanftanlauf sowie der zugehörige Schaltschrank entfallen. Eine Drosselarmatur wird ebenfalls überflüssig.
Die individuelle Festdrehzahl eröffnet aber noch eine weitere Option: Um Verluste durch Drosselarmaturen oder spätere Laufradanpassung zu vermeiden, lässt sich die Leistung der Pumpe durch Parametereinstellungen im Betrieb anpassen. Dies ist besonders interessant, wenn der Auslegungspunkt der Pumpe nach dem Einbau in der Anlage mit dem tatsächlichen Betriebspunkt nicht übereinstimmt. Über die individuelle Festdrehzahl lässt sich damit schnell eine praktikable Lösung finden. Insgesamt wird die Systeminstallation zudem deutlich vereinfacht, da die Pumpe vorkonfiguriert ist und Überwachungs- und Startvorrichtungen bereits integriert sind.
www.ksb.com
Definitionen, Akronyme, Abkürzungen
IFS: Individuelle Festdrehzahl
DOL: Direktanlauf
NPSHR: Haltedruckhöhe der Pumpe
Betriebspunkt
Delta p
Drehzahlregelung
Festdrehzahl
Laufradanpassung
NPSH
Wirkungsgrad
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