Zukunft: U- Pumpen / U- Motoren Markt

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1 Berlin- Brandenburger Brunnentage 2014 Die Unterwasserpumpe Energetische,ökologische und technische Qualitätsstandards 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 In der Wasserversorgung 3

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

5 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. 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 5

6 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

7 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 7

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 Bei der Wahl einer fördermengenmäßig kleineren Pumpe Einer energetisch besseren Hydraulik Einsatz eines PM Motor Einem größeren Kabelquerschnitt Einem optimalen FU ergeben sich folgende positive Änderungen für die Betriebskosten 8

9 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 9

10 Werkstoffauswahl 10

11 Verockerung Grundfos SP 95 nach 6000 Betriebsstunden In einem Rohwasser mit einem Eisengehalt von 8 mg/l und Mangangehalt von 0,8 mg/l 11

12 Änderung des Betriebspunktes durch Verockerung H [m] Änderung Q [m³/h] 12

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

14 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 6810kWh / Jahr Auch die Steigleitungsmaterialauswahl beeinflusst die dynamische Verluste. Rauhigkeit, und Anlagerungsverhalten von Partikeln Amortisationszeit ca. 1 Jahr 14

15 Motorwirkungsgrade 6 PM im Vergleich zu den Asynchron (wiederwickelbare) 6 U-Motoren (Linie) zu den gekapselte 6 U- Motoren ( ) 15

16 Motorwirkungsgrade 8 PM im Vergleich zu den ASM (Asynchron) 8 U-Motoren 16

17 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 17

18 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 18

19 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) 19

20 Unterwasserkabel; Kabelverbindungen 20

21 6 PM Motoren im Vergleich zu herkömmlichen 4,6 und 8 Asynchron U- Motoren 5000 Betriebsstunden 0,17 spezifischer energiepreis /kwh herkömmlicher Standardmotor 6" PM Motor geringere Verluste Einsparung Einsparung Motortyp eta in % eta in % im Motor in kw 1 in Jahren 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,

22 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 U- Motor: Gewichtsreduzierung; Längenreduzierung. Sehr hoher planimetrischer Wirkungsgrad; hoher Wirkungsgrad im Teillastbereich Power Factor 0,94; I A / I N 1 Gummipumpe realisierbar Drehzahlregelung vorhanden Nachteile Betrieb nur am FU möglich 22

23 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 23

24 Frequenzumrichter für PM Motoren bis 160 kw, 310 A, IP 54 oder IP 21 24

25 Wasserversorgung / Beregnung Pumpenkennlinie + Anlagenkennlinie; Betriebspunkt H eta opt. H fl H Absenkung P tap H geo Q 25

26 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 26

27 GWE- Gummi - Pumpe mit PM Motor und FU 27

28 Energieeinsparungen am Beispiel Q = 200 m³/h H = 40 m und Q = 100 m³/h H = 30 m und Q = 25 m³/h H = 34 m Betriebskosten Differenz/ Einsparung 4000 h Betriebspunkt % % % % kw kw Preis Bemerkung 0,16 /kwh Amortisationszeit Typ kw Motor Qm³/h H m eta Pumpe eta Motor eta FU Eta Kabel P 2 P1 5 Jahre Jahre SP215-2 A 37 6" Asyn ,5 76, ,03 38, SP " PM /FU , , , mit FU du/ dt IP21 / IP / 1,36 J 10 GWE / 2C 30 6" PM /FU ,6 91,5 97, ,5 33, mit FU du/ dt IP21 / IP / 1,39 J SP125-2 AA 13 6" Asyn ,4 72, ,8 14, SP " PM /FU , , ,04 12, mit FU du/ dt IP21 / IP / 3,5 J 10 GWE 160-1/1C 11 6" PM /FU ,2 97, ,4 11, mit FU du/ dt IP21 / IP / 1,2 J SP125-2 AA 13 6" PM /FU ,4 72,5 92,5 97, ,8 13, mit FU du/ dt IP21 / IP / 3,45 J SP " Asyn ,4 73, ,21 4, SP " PM /FU 25 34,4 73, ,5 99 3,21 3, mit FU du/ dt IP21 / IP // 6 GWE " PM /FU ,5 99 3,26 3, mit FU du/ dt IP21 / IP // 6 GWE " Asyn ,26 4, !! 28

29 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 29

30 Vielen Dank! GWE pumpenboese GmbH, D Peine 30