Optimierung bestehender Anlagen von Pumpen und Pumpensystemen.

Transkript

1 Optimierung bestehender Anlagen von Pumpen und Pumpensystemen. Einführung zur Optimierung bestehender Anlagen von Pumpensystemen + Bestandsaufnahme + Verbesserungsmaßnahmen.

2 Einführung zur Optimierung bestehender Anlagen von Pumpensystemen. Eine große Anzahl bestehender Pumpensysteme bieten hohe Potenziale für Einsparungen. Zum einen gibt es durch den technischen Fortschritt und das zunehmende Energiepreis-Bewusstsein inzwischen viele Anlagenkomponenten mit höheren Wirkungsgraden als noch vor einigen Jahren. Zum anderen büßen Pumpen, Motoren und Rohrleitungskomponenten durch Alterung an Wirkungsgrad ein. Pumpen können bei schlechter Wartung bis zu 15 Prozent an Wirkungsgrad verlieren. In Rohrleitungen nimmt der Leitungswiderstand durch Korrosion und Ablagerungen zu. Armaturen werden undicht, was zu Druckverlusten im System führen kann. Hinzu kommt, dass über die Lebensdauer eine Anlage sich durch den Austausch von Komponenten oft vom Auslegungsoptimum entfernt, wenn der Aufwand einer Neuberechnung gescheut wird. Da die richtige Abstimmung der Komponenten aufeinander das Schlüsselelement für geringe Gesamtkosten ist, sollten bei einer angestrebten Verbesserung nicht einfach nur blind Einzelteile ausgetauscht, sondern eine Optimierung des Gesamtsystems vorgenommen werden. Wir verstehen unter Optimierung eine Minimierung der Gesamt-Lebenskosten der Anlage, wie sie durch die Formel im Infoblatt Lebenszykluskosten von Pumpen und Pumpensystemen definiert sind. LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Ccip + Cqu + Cd Ccip Cqu Cd Cenv Cin Co Cs Cic Cm Ce Oft werden Verbesserungsmaßnahmen geplant, wenn durch einen Defekt ohnehin der Austausch von Komponenten, wie zum Beispiel Pumpe oder Motor, ansteht. Tatsächlich ist dies ein guter Zeitpunkt für die Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen. Für die Planung ist es aber eigentlich schon einen Schritt zu spät. Beginnt man mit der Planung vor dem Defekt, ist es wesentlich einfacher, ausreichend Daten für eine systematische Minimierung der Lebenszykluskosten zu sammeln. Bestandsaufnahme. Eine gute Kenntnis der Bestandsanlage ist eine wichtige Voraussetzung für eine Optimierung. Daher sollte eine LCC-Analyse mit einer Bestandsaufnahme beginnen. Insofern dies noch nicht geschehen ist, sollten die Anlagenkomponenten inventarisiert werden. Kostenfaktoren sollten identifiziert werden. Anhand von alten Werkstattberichten können Rückschlüsse auf verschleißanfällige Komponenten gezogen und Instandhaltungsintervalle berechnet werden. An den Maschinen oder in der Instandhaltungsabteilung sollten Formblätter für die Erfassung von Ausfallzeiten bereitgestellt werden. Vorlagen dafür gibt es z. B. in der VDI-Richtlinie 3423 Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen Begriffe, Definitionen, Zeiterfassung und Berechnung. Soweit dies möglich ist, sollten an der laufenden Anlage hydraulische Daten aufgenommen werden. Möglicherweise muss dafür ein Testbetrieb mit Wasser gefahren werden. Der Druckverlust über die Rohrleitung bei verschiedenen Förderströmen und der Förderstrom der Pumpe bei variablem Gegendruck sollte gemessen werden. Wenn die apparativen Möglichkeiten dazu vorhanden sind, sollte auch die Leistungsaufnahme des Motors in den verschiedenen Betriebspunkten aufgenommen werden. Innerhalb der Rohrleitung sollte der Druckabfall über Einbauten wie zum Beispiel Wärmetauscher, Filter oder Blenden zur Strömungs regulierung gemessen werden. Bei verzweigten Rohrleitungssystemen sollten die Volumenströme in den verschiedenen Strängen gemessen werden. Bei Wärmetauschern kann überprüft werden, ob die Förderströme tatsächlich dem tatsächlichen Bedarf entsprechen, bei Tankbefüllungen, ob die Füllzeiten eventuell verlängert werden könnten und in geschlossenen Kreisläufen, ob die Förderströme in der vorliegenden Höhe tatsächlich notwendig sind. 2

3 Anhand der gesammelten Daten können Schwachstellen und Potenziale für Effizienzsteigerungen identifiziert werden. Verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten sollten im Hinblick auf ihre Auswirkung auf die Lebenszykluskosten untersucht werden. Dabei ist es nicht notwendig, einen genauen Zahlenwert für die Lebenszykluskosten der gesamten Anlage zu berechnen. Es reicht aus, sich darüber klar zu werden, welche Faktoren die Kosten der Anlage direkt oder indirekt beeinflussen und wo Folgekosten entstehen können. Die Ergebnisse solcher Überlegungen sollten schriftlich oder graphisch festgehalten werden, so dass sie von anderen Personen nachvollzogen werden können. Für die Verbesserungsvorschläge sollte dann die Änderung der verschiedenen Kostenarten als Differenzwert berechnet werden. Hierbei ist es notwendig, einen möglichst weit reichenden Blick über alle Kostenarten zu haben. Verbesserungsmaßnahmen. Mögliche Verbesserungsmaßnahmen, die in dieser Reihenfolge geprüft und umgesetzt werden sollten, sind folgende: Instandhaltung optimieren Die Instandhaltungsstrategie sollte überprüft werden. Dafür sind die Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten im Ist-Zustand zu bewerten. In welchem Zustand werden die Verschleißteile zurzeit ausgetauscht? Kommt es zu Folgekosten bei Defekten? Mögliche Instandhaltungsstrategien sind im Infoblatt Wartung und Instandhaltung von Pumpen und Pumpensystemen beschrieben. Soll eine zustandsbezogene Instandhaltung implementiert werden, ist dies in den Spezifikationen der in Zukunft zu beschaffenden Komponenten zu berücksichtigen. An den Pumpen und Motoren müssen entsprechende Sensoren vorgesehen werden. Regelstrategie überprüfen Die Regelung bietet pauschal bei vielen Bestandsanlagen die größte Einsparmöglichkeit. Bypass- und Drosselregelung können hohe unnötige Energiekosten, aber auch Qualitäts-, Instandhaltungsund Produktionsausfallkosten erzeugen, wenn die Anlage oft in Teillast betrieben wird. Informationen hierzu finden sich im Infoblatt Auswahl und Regelung von Pumpen und Pumpensystemen. Falls auf Drehzahlregelung umgestellt werden soll, ist dies bei der Spezifikation des neuen Motors zu berück sichtigen oder der bestehende entsprechend umzurüsten. Sollte die Drosselregelung beibehalten werden, ist zu überprüfen, ob Pumpe und Regelventil richtig ausgelegt sind. Im Volllastbetrieb sollte das Ventil fast komplett geöffnet sein (Herstellerangaben beachten) und einen minimalen Druckverlust aufweisen. Gegebenenfalls ist das Regelventil auszutauschen und die Pumpenleistung anzupassen (siehe unten). 3

4 Flaschenhälse weiten Möglicherweise hat die Rohrleitung zwar einen ausreichend großen Durchmesser für den Auslegungsförderstrom, aber durch lokale Verengungen wird trotzdem ein hoher Druckverlust erzeugt. Solche Flaschenhälse können dort auftreten, wo für Ventile oder Messgeräte ein kleinerer Durchmesser gewählt wurde, um Investitionskosten zu sparen. Oder die Rohrleitung wurde bewusst durch eine Blende verengt, um den Volumenstrom zu drosseln. Solche Einschnürungen führen zu einer steileren Anlagenkennlinie, also zu einer rapiden Zunahme der Energieverluste mit steigendem Förderstrom. Selbst wenn die Reduzierung des Durchmessers bei der ursprünglichen Anlagenplanung noch ökonomisch vertretbar war, kann es sein, dass durch eine gestiegene Anlagenauslastung, höhere durchschnittliche Förderströme oder gestiegene Energiepreise an diesen Stellen nun unnötige Kosten verursacht werden. Wenn es ohne übermäßig hohen Investitions- und Installationsaufwand möglich ist, sollten solche Flaschenhälse beseitigt werden. Rost und Mineralien haben das Trinkwasserrohr zugesetzt. Der Querschnitt des Rohres wird verengt. Die Wandrauhigkeit nimmt zu. Die Folge: Höhere Strömungsgeschwindigkeit und gestiegene Druckverluste. Einschnürungen der Strömung verursachen zusätzliche Druckverluste Druckverbraucher austauschen Bei Komponenten mit hohen Druckverlusten, wie Filtern und Wärmetauschern, ist zu prüfen, ob diese durch Alternativen mit günstigeren hydraulischen Eigenschaften ersetzt werden können. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn aufgrund von Korrosion oder Ablagerungen ohnehin eine Investition notwendig wird oder wenn z. B. durch häufige Dichtungsprobleme die Instandhaltungs- oder Produktionsausfallkosten der Komponenten besonders hoch sind. Volumenströme anpassen Falls sich herausgestellt hat, dass einige der Prozessschritte mit geringeren Förderströmen gefahren werden können, ist die Prozessführung entsprechend anzupassen. Möglicherweise muss eine Anpassung der Pumpenleistung oder Einführung einer Drehzahlregelung in Erwägung gezogen werden. Bei verzweigten Systemen mit parallelen Strängen, wie z. B. Heizungsanlagen, sollte ein hydraulischer Abgleich vorgenommen werden. Das heißt, dass in den Strängen die Druckverluste so angepasst werden, dass durch alle Stränge der richtige Volumenstrom fließt. Diese Aufgabe wird dadurch erschwert, dass sich alle Stränge gegenseitig beeinflussen. Im Ergebnis sollte der Gesamtdruckverlust minimal sein, was bedeutet, dass immer mindestens ein Strang ungedrosselt sein muss. In Systemen mit Thermostatventilen kann der Einsatz einer automatischen Strangdifferenzdruckregelung sinnvoll sein. 4

5 Pumpe anpassen Eine der wichtigsten Optimierungsaufgaben ist zu überprüfen, ob die Pumpe im tatsächlichen Betriebspunkt mit ihrem optimalen Wirkungsgrad arbeitet. Falls dies nicht der Fall ist, sollte die Pumpe ausgetauscht oder die Förderleistung durch Abdrehen oder Austausch des Laufrades angepasst werden. Der Einsatz eines Frequenzumrichters allein zur Einstellung des Volllast-Betriebspunktes (also ohne Regelungsaufgaben) ist nicht sinnvoll, da auch dieser einen eigenen Energieverlust hat (siehe auch Infoblätter Systemkomponenten und Energiebedarf, Auswahl und Regelung und Antriebstechnik und Motoren von Pumpen und Pumpensystemen). Bei Überprüfung der Pumpe sollten auch der Zustand des Laufrades und der Spaltabstand geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Möglicherweise ist auch aus diesem Grund ein Austausch des Laufrades nötig. Bei der Beschaffung neuer Laufräder ist zu prüfen, ob es Alternativen mit höherwertigen Werkstoffen und geringeren Oberflächenrauhigkeiten gibt. Antrieb verbessern Der Pumpenantrieb ist der Punkt an dem mit besonders geringen baulichen Veränderungen deutliche Wirkungsgradverbesserungen erzielt werden können. Motoren büßen im Laufe ihres Lebens zwangsläufig an Wirkungsgrad ein. Bei großen Motoren können eine Generalüberholung und eine Erneuerung der Wicklung den Wirkungsgrad wieder verbessern. Insbesondere bei kleinen Motoren und solchen, die lange Jahreslaufzeiten aufweisen, ist es aber oft sinnvoller, den Antrieb komplett auszutauschen und bei der Gelegenheit auf einen Motor mit höherer Effizienzklasse umzustellen. Hinweise dazu befinden sich im Infoblatt Antriebstechnik und Motoren von Pumpen und Pumpensystemen. Auch ein überdimensionierter Motor ist sehr häufig Grund für unnötige Energieverluste. Eine Neudimensionierung kann auch nötig werden, wenn durch die oben genannten Verbesserungsmaßnahmen der Leistungsbedarf reduziert wurde. In die Bewertung sollten nicht nur Investitions- und Energiekosten einfließen, sondern auch die oft längere Lebensdauer von Hocheffizienzmotoren berücksichtigt werden. Auch die geringere Wärmeabstrahlung in die Umgebung kann insbesondere in klimatisierten Produktionshallen ein Gesichtspunkt sein. Förderhöhe (Druck) H Reduzierter Laufraddurchmesser Förderstrom Q Regelung neu parametrieren Durch Alterung und Umbauten in der Anlage können sich die Anlagenparameter so geändert haben, dass die Regelung eine unnötig hohe Einschwingzeit oder bleibende Regelabweichung hat. Auch die oben genannten Verbesserungsmaßnahmen machen eine Neujustierung der Regelung nötig. Eine schlecht eingestellte Regelung kann nicht nur zu höheren Energiekosten, sondern auch zu höheren Instandhaltungskosten (z. B. bei den Regelventilen) und häufigeren Produktionsausfällen führen. Durch ein Abdrehen des Laufrades kann eine überdimen sion ierte Pumpe den Erfordernissen angepasst werden. 5

6 Kampagne Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe. Die Kampagne Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe wird von der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen. Partner Sulzer Pumps Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative Energie- Effizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi). Eine Initiative von Impressum: Informationsblätter zu Pumpensystemen Sind Sie an der Kampagne Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf. Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per unter: info@system-energieeffizienz.de Oder Sie füllen auf der Internetseite das Formular unter der Rubrik Kontakt aus. Herausgeber: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) Energieeffizienz im Elektrizitätsbereich Chausseestraße 128a, Berlin Kontakt: Tel: +49 (0) Tel: +49 (0) info@dena.de Internet: