17. Informationsveranstaltung Hirschfelde 2014 Die Unterwasserpumpe Energetische, ökologische und technische Qualitätsstandards

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1 17. Informationsveranstaltung Hirschfelde 2014 Die Unterwasserpumpe Energetische, ökologische und technische Qualitätsstandards - Kosten sparen leicht gemacht! - GWE pumpenboese GmbH, D Peine 1

2 Zukunft: U- Pumpen / U- Motoren Markt Sehr effizienten Neuentwicklungen Hydrauliken, Motoren, Steuerungen Wasserversorgung große Leistungen Industrie Wasser Wasser- WP Minenentwässerung 100 % Markt heute % Zeitachse Landwirtschaftl. Beregnung Wasserversorgung mit kleinerer Leistung 2014 ff Private Beregnung, private Wasserversorgung Regenwassernutzung Wasserhaltung Tendenzen: Mehr Systemwissen und technische Beratung / Energieberatung erf. Mehr Wissen im E- Bereich Motoren / Steuerungen erf.

3 Wasserversorgung 3

4 Effizienterer Betrieb von U- Pumpen Für welche Betreiber ist Effizienz (neue Technik) interessant: Wasserversorger Industrielle Eigenwasserversorger Bergbau; Minen Wasser Wasser Wärmepumpenanlagenbetreiber Umwelt bewusst denkenden Kunden ( grüne Kunden) Für welche Applikationen: Anlagen mit hohen Betriebsstunden (3000 h/ a) bei großer Einbautiefe / große Förderhöhe der Anlagen Bei großen Fördermengen Ab 5,5 kw Motorleistung (heute) Bei höheren Medientemperaturen (bis 60 C) Bei aggressivem Wasser Anlagen mit wechselnden Betriebspunkten; FU Regelung (im Bereich 30Hz-60 Hz) 4

5 Schematischer Aufbau eines Förderbrunnens Brunnenkopf Kontrollpegel Pumpensteigrohr Vollwand- bzw. Aufsatzrohr U-Pumpe Filterrohr Widerstandspegel 5

6 Kosteneinsparungsmöglichkeiten beim Betrieb von U- Pumpen Optimierungsmöglichkeiten bei der Wasserfassung 1. Betriebspunkt der Pumpe optimieren (richtige Pumpenauswahl) 2. Fördermenge reduzieren 3. Förderhöhe reduzieren 4. Betriebsstunden optimieren 5. hoher hydraulischer Wirkungsgrad 6. hoher Motorwirkungsgrad; PM Motoren mit FU 7. niedriger Spannungsverlust/ Leistungsverlust im Kabel (Kabelquerschnitt vergrößern; Spannung erhöhen) 8. Optimaler Brunnenfilter; geringere Absenkung im Brunnen (richtiger Brunnenausbau, Brunnen regenerieren) 9. geringe Reibungsverluste in der Rohrleitung (größere Rohrdimension; Rauhigkeit; Reinigung der Rohre) 10. auf korrosionsbeständige Materialien achten 11. Verockerung in der Anlage minimieren 12. Verschleiß in der Anlage minimieren 13. richtige Positionierung der U-Pumpe im Brunnen 14. Zubehör (Pumpenzentrierung, Kühlmantel, Kabelschellen etc.) 15. Serviceintervalle einplanen 6

7 Leistungsbedarf U- Pumpe PQ Hydraulische Leistung: P Q = Q x H x ρ 367 [kw] Leistungsbedarf der Pumpe: P 2 = P Q = P2 P2 Leistungsaufnahme des Motors: η Pumpe In den Verkaufsunterlagen wird der Stufenwirkungsgrad der Pumpe gezeigt η Stufe Der Pumpenwirkungsgrad η Pumpe ist niedriger, da Strömungsverluste im Einlaufteil, Strömungsverluste des RV und Strömungsverluste von Stufe zu Stufe (innerhalb der Pumpe) den Wirkungsgrad reduzieren. P 2 P 1 = η Motor P1 Der Betreiber zahlt: P 1 = P Q η Motor x η Pumpe x η Kabel x η FU Bei U- Pumpen muss der Verlust des Kabels und der Verlust vom FU zur Ermittlung der Betriebskosten berücksichtigt werden! Gesamtwirkungsgrad der installierten U- Pumpe: η ges = η Motor x η Pumpe x η Kabel x η Fu

8 Energetische Betrachtung am Beispiel einer Wasserfassung mit einer Unterwasserpumpe E = Q x H x ρ x h x c 367 x η P x η M x η K x η FU E = Energiekosten pro Jahr [ ] Q = Förderstrom im Betriebspunkt [m³/h] H = Förderhöhe im Betriebspunkt [m] ρ = Dichte des Mediums [kg /dm³] h = Betriebsstunden der Pumpe pro Jahr [h] c = spezifischer Energiepreis [ /kwh] η P = Pumpenwirkungsgrad im Betriebspunkt η M = Motorwirkungsgrad Betriebspunkt η K = Kabelwirkungsgrad (Leistungsverlust Kabel) η FU = Frequenzumformerwirkungsgrad 8

9 Energetische Betrachtung am Beispiel einer Wasserfassung mit einer Unterwasserpumpe E = Q x H x ρ x h x c 367 x η P x η M x η K x η FU Bei der Wahl einer fördermengenmäßig kleineren Pumpe Einer energetisch besseren Hydraulik Einsatz eines PM Motor Einem größeren Kabelquerschnitt Einem optimalen FU ergeben sich positive Änderungen für die Betriebskosten 9

10 Einsparungspotential in pro Jahr bei Reduzierung der Förderhöhe um 1 m Q = 100 m³/h; H = 55 m (Betriebspunkt) S1 Dauerbetrieb 8700 h /a spez. Energiepreis = 0,15 /kwh Eta Pumpe=75% Eta Motor =82% (22kW) Eta Kabel= 97 % Was schätzen Sie? 600 / Jahr Entspricht kwh 10

11 Werkstoffauswahl 11

12 Verockerung Grundfos SP 95 nach 6000 Betriebsstunden In einem Rohwasser mit einem Eisengehalt von 8 mg/l und Mangangehalt von 0,8 mg/l 12

13 Änderung des Betriebspunktes durch Verockerung H [m] Änderung Q [m³/h] 13

14 U- Pumpen Hydraulik Verschleißfeste Chromstahlguss Laufräder Verschleißfeste Chromstahlguss Zwischenkammern Hohe hydraulische Wirkungsgrade für energetisch optimalen Betrieb Materialausführungen in Chromstahlguss AISI 304 oder Duplex lieferbar

15 Stahlprodukte Schachtabdeckungen Steigleitern Brunnenköpfe Formteile 15

16 Steigeleitungen Stahl / Edelstahl Steigrohre nach DIN und -2 DIN 4942 DIN 4927 Nennweiten von DN 50 bis DN 250, weitere Größen auf Anfrage Druckstufen PN16, PN 25 und PN 40. Edelstahl, Korrosionsschutz durch Beizung im Tauchbad und anschließender Passivierung HAGULIT Beschichtung, Korrosionsschutz durch allseitige Kunststoffbeschichtung im Wirbelsinterverfahren (0,3 0,5 mm) Gewinde-, Flansch-, oder zugfeste Steckmuffenverbindung (ZSM) 16

17 Steigleitungsauswahl (ZSM-Verbindung) Korrosionsbeständig Edelstahl , , Niedrige Steigleitungsverluste bedeuten höhere Investitionskosten mit niedrigen Betriebskosten Q=85 m 3 /h, H = 65 m Steigleitungslänge 80 m 3450 Betriebsstunden / Jahr Durchmesser von 4" auf 5" erhöhen - -Einsparung 6810 kwh / Jahr Auch die Steigleitungsmaterialauswahl beeinflusst die dynamische Verluste. Rauhigkeit, und Anlagerungsverhalten von Partikeln Amortisationszeit ca. 1 Jahr 17

18 Wickeldrahtfilter aus Edelstahl Nennweiten von DN 50 bis DN 800 Schlitzweiten ab 0,1 mm Gewinde-, Flansch- und ZSM- Verbindung große freie Eintrittsfläche 18

19 New Synchronmotoren (PM Motoren) 19

20 Motorwirkungsgrade 6 PM im Vergleich zu den Asynchron (wiederwickelbare) 6 U-Motoren (Linie) zu den gekapselte 6 U- Motoren ( ) 20

21 Motorwirkungsgrade 8 PM im Vergleich zu den ASM (Asynchron) 8 U-Motoren 21 GWE pumpenboese GmbH, D Peine

22 Synchron U- Motoren 6 Synchronmotoren (PM Motoren) L Material U-Motoren 4-7,5kW; L= 655 mm; Gewicht 41 kg 9,3-18,5 kw; L= 809 mm; Gewicht 56 kg kw; L= 971 mm; Gewicht 72 kg 8 Synchronmotoren (PM Motoren) Material U-Motoren 37-75kW; L= 1112 mm; Gewicht 120 kg kw; L= 1245 mm; Gewicht 165 kg kw; L= 1903 mm; Gewicht 228 kg 22

23 6 Synchronmotoren (PM Motoren) PE 2/ PA Wicklung Relativer Isolationswiderstand in % PE2/PA Wicklung 1000V Prüfspannung 90 C am Kupfer (entspricht Isolationsklasse Y) PVC Wicklung 700V Prüfspannung Standardmotor Temperatur Kupferleiter C 23

24 Technische Daten 6 PM Motoren 3x400V 50 Hz 25,2 A; - 20% 42 A; - 24% * bezieht sich auf die Einspeisung netzseitig Ausführung 3 x 500 V 50Hz nur der IN Wert muss korrigiert werden. (400/500) 24

25 Technische Daten 8 PM Motoren 3 x 400V 50 Hz P N U N n N l N la/in * η (Eff.) [%] Power factor max Axialkraft [kw] [V] [min -1 ] [A] [A] bei100 % Belastung bei % Belastung T [N] N 50% 75% 100% 50% 75% 100% [Nm] * bezieht sich auf die Einspeisung netzseitig Länge [mm] Gewicht [kg] ,5 0,96 0,93 0, Bereichsmotor ,5 90,5 91 0,96 0,93 0, " kw ,96 0,93 0, , ,96 0,93 0, ,5 91 0,96 0,93 0, Bereichsmotor ,5 91,5 0,96 0,93 0, " kw , ,5 0,96 0,93 0, , ,5 0,96 0,93 0, Bereichsmotor ,5 91 0,96 0,93 0, " kw , ,5 0,96 0,93 0, , ,5 0,96 0,93 0, Bereichsmotor ,5 90,5 0,96 0,93 0, " kw ,5 92 0,96 0,93 0, ,5 91,5 92 0,96 0,93 0, GWE pumpenboese GmbH, D Peine

26 Unterwasserkabel; Kabelverbindungen 26

27 6 PM Motoren im Vergleich zu herkömmlichen 4,6 und 8 U- Motoren ,17 herkömmlicher Standardmotor 6",8" PM Motor geringere Verluste Einsparung Motortyp eta in % eta in % im Motor in kw 1 4" 2,2 kw , " 3 kw , " 4 kw , " 5,5 kw 79 89,4 0, " 7,5 kw 79 89,5 1, " 4 kw , " 5,5 kw 76 89,4 1, " 7,5 kw 77 89,5 1, " 9,3 kw 78 91,5 1, " 11 kw 79 92,2 1, " 13 kw 80 92,5 2, " 15 kw 81 92,5 2, " 18,5 kw , " 22 kw , " 26 kw 83 92,5 3, " 30 kw 83 91,5 3, " 37 kw , " 55 kw , " 93 kw 88 91,5 4, " 150 kw 88 91,5 6,

28 Frequenzumformer für Asynchron / Synchronmotoren U- Motoren bis 30 kw Schutzart IP 66 für dezentralen Einsatz bis 16 A bis 12 A bis 31 A bis 72 A Mit PT100 Anschluss mit Graphik Karte 28

29 Frequenzumrichter für PM Motoren bis 160 kw, 310 A, IP 54 oder IP 21 29

30 Einsparungen bei den Komponenten (im System PM- Motor / FU enthalten) Blindstromkompensation (ca. 225,00 ) Motorschutz (ca. 65,00 ) Softstarter (ca. 775,00 ) S/D Starter (ca. 310,00 ) Schutz vor Phasenausfall (ca. 95,00 ) Summe ca ; plus der Montageaufwand 18,5 kw Motor 42 A 3x400 V 50 Hz 30

31 Wasserversorgung / Beregnung Pumpenkennlinie + Anlagenkennlinie; Betriebspunkt H eta opt. H fl H Absenkung P tap H geo Q 31

32 GWE- Gummi - Pumpe mit PM Motor und FU 32

33 Zusammenfassung Vorteile / Nachteile PM Motor im Vergleich zum Asynchronmotor Vorteile Reduzierung der Betriebskosten Motorwirkungsgrad Steigerungen Motor Stromreduzierung %; geringere Kabelquerschnitte realisierbar Geringere Erwärmung; geringere thermische Belastung; 22 K Temperaturerhöhung bei v = 0,5 m/s; PE 2 / PA Wicklung U- Motor: weniger Baugrößen; Gewichtsreduzierung; Längenreduzierung. Sehr hoher planimetrischer Wirkungsgrad; hoher Wirkungsgrad im Teillastbereich Power Factor 0,94; I A / I N 1 Gummipumpe realisierbar Drehzahlregelung vorhanden Einsparungen bei E- Komponenten und deren Installationen Nachteile Bei der Investition: Betrieb nur am FU möglich 33

34 Hydrauliken für PM Motorapplikationen Pumpen/ Leistungsbereich bei Nennfördermenge: mit 6 PM Motor mit 8 PM- Motor Q= 14 m³/h; H = 440 m bis 440 m Q= 17 m³/h; H bis 380 m bis 540 m Q= 30 m³/h; H bis 320 m bis 460 m Q= 46 m³/h; H bis 200 m bis 340 m Q= 60 m³/h; H bis 170 m bis 250 m Q= 77m³/h; H bis 130 m bis 320 m Q= 95 m³/h; H bis 105 m bis 300 m Q= 125 m³/h; H bis 80 m bis 210 m Q= 160 m³/h; H bis 60 m bis 270 m Q= 215 m³/h; H bis 45 m bis 200 m Q= 300 m³/h bis 140 m Q= 360 m³/h bis 120 m Q= 450 m³/h bis 100 m 34

35 Einsparungspotential / Amortisationszeit Betrieb einer U- Pumpe mit PM Motor im Vergleich zur heutigen Standardpumpe Einsparung bei den Betriebskosten Abhängigkeit von: Betriebsstunden; Motorgröße, Hydraulik, Auslegung, Steigeleitung, Betriebsweise etc. ca. 10% 20% Amortisationszeit Vergleich Anschaffung einer Standardpumpe (ohne FU) zu U- Pumpe mit PM- Motor mit FU und Filter ca. 1,5 Jahre 4 Jahre 35

36 Vielen Dank! GWE pumpenboese GmbH, D Peine 36