KSB Know-how, Band 4. Pumpenregelung / Anlagenautomation

KSB Know-how, Band 4 Pumpenregelung / Anlagenautomation

Pumpenregelung / Anlagenautomation Ausgabe Mai 213 Technische Änderungen bleiben vorbehalten. Copyright KSB Aktiengesellschaft Herausgeber: KSB Aktiengesellschaft Bereich: Gebäudetechnik D-67227 Frankenthal Alle Rechte der Verbreitung, auch durch Film, Funk, Fernsehen, Video, fotomechanische Wiedergabe, Tonund Datenträger jeder Art, auszugsweisen Nachdruck oder Einspeicherung und Rückgewinnung in Datenverarbeitungsanlagen aller Art nur mit Genehmigung des Herstellers. Regelkonzepte von KSB Pumpen mit integrierter Regelung Pumpenregelsysteme Nassläufer Trockenläufer Calio S Calio / Rio-Eco Z N Etaline PumpDrive / Etaline Z PumpDrive Etanorm PumpDrive / Etabloc PumpDrive Hyamaster SPS Technische Daten Calio S E Q bis 3,5 m 3 /h, E H bis 6 m E T + 2 C bis + 95 C Technische Daten Technische Daten Technische Daten Technische Daten Calio E Q bis 13 m 3 /h, E H bis 1 m E T 1 C bis + 11 C Rio-Eco Z N E Q bis 46 m 3 /h, E H bis 14 m E T 1 C bis + 11 C Etaline PumpDrive E Q bis 788 m 3 /h, E H bis 1 m E T 1 C bis + 11 C E p d bis 16 bar Etaline Z PumpDrive E Q bis 479 m 3 /h, 133 l/s E H bis 76 m E T 1 C bis + 11 C E p d bis 16 bar Etanorm PumpDrive E Q bis 62 m 3 /h E H bis 12 m E T bis + 11 C E p d bis 16 bar Etabloc PumpDrive E Q bis 62 m 3 /h E H bis 12 m E T bis + 11 C E p d bis 16 bar Hyamaster SPS E max. 6 Pumpen E max. 6 Frequenzumrichter E Netzspannung 3~ V, 5/6 Hz; 3~5 V, 5/6 Hz; 3~69 V, 5/6 Hz; E Regelsysteme integriert

Inhaltsverzeichnis Seite 1 Grundlagen 4 1.1 Hydraulische Grundlagen 4 1.1.1 Pumpengrundlagen 4 Verdrängerpumpen 4 Kreiselpumpen 5 1.1.2 Förderstromanpassung 6 Förderstromanpassung durch Drosselung 6 Förderstromanpassung durch Bypassregelung 7 Förderstromanpassung durch Parallelschaltung 8 Förderstromanpassung durch Drehzahlregelung 9 Förderstromanpassung durch Kombination von Parallelschaltung und Pumpenregelung 1 1.1.3 Kennlinienumrechnung bei variabler Drehzahl 11 Berechnung der Rohrnetzparabel 12 Berechnung der Regelparabel 12 Pumpenauswahl 13 Berechnung der Affinitätsparabel 13 Ermittlung der Pumpenkennlinien 14 Ermittlung von Hilfspunkten und Zwischenkennlinien 16 Addition von Kennlinien 17 Ermittlung der Leistungsaufnahme 17 Ermittlung des Sollwertes 19 1.1.4 Wirtschaftlichkeitsberechnung stufenloser Drehzahlregelsysteme mit Frequenzumrichter 2 Einflüsse durch Ausführung der Anlage 2 Einflüsse durch zeitliche Belastung der Anlage 2 Einflüsse der Pumpe 21 Die aus dem elektrischen Netz aufgenommene Pumpenleistung 21 Drei Anlagensysteme im Vergleich mit und ohne Pumpenregelung 22 Wirtschaftlichkeitsberechnung 26 1

Inhaltsverzeichnis 1.2 Regelungstechnische Grundlagen 28 1.2.1 Definition 28 1.2.2 Weitere regelungstechnische Begriffe 28 1.2.3 Regelungstechnische Begriffe am Beispiel einer Pumpenregelung 29 1.2.4 Regelgrößen für geschlossene hydraulische Kreisläufe 29 Differenzdruckabhängige Regelung 29 Differenztemperaturabhängige Regelung 32 Rücklauftemperaturabhängige Regelung 33 Vorlauftemperaturabhängige Steuerung/Regelung 34 1.2.5 Regelgrößen für offene Kreisläufe 35 Druckabhängige Regelung 35 Füllstandsabhängige Regelung 36 Förderstromabhängige Regelung 37 1.2.6 Kompensation von zusätzlichen Störgrößen 38 Kompensation durch Auswahl des richtigen Messortes 38 Kompensation mittels zusätzlicher Messgröße 1.3 Grundlagen Integralantrieb 42 1.3.1 Intelligente integrierte Antriebe für Pumpen 42 1.3.2 Vorteile der Integration 42 1.3.3 Anforderungen 42 1.3.4 Pumpenspezifische Funktionen 43 1.3.5 Wirtschaftlichkeit 44 1.4 Grundlagen Kommunikationstechniken 45 2 Begriffe der Anlagenautomation und Projektierungshinweise 47 2.1 Allgemeine elektrische Hinweise 48 Netzarten 48 Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen 49 Netzabhängige Schutzmaßnahmen 49 Umgebungstemperatur 49 Einschaltart der Kurzschlussläufermotoren 49 2

Inhaltsverzeichnis 2.2 Regelfunktionen 5 Regelgröße 5 Sollwert / Sollwertumschaltung 52 Optimierung der Regelkennlinie 52 Überwachung der Pumpen und der hydraulischen Anlage bei Betrieb Automatik 53 Messtechnisches Zubehör 54 Dokumentation 55 Montage 55 Inbetriebnahme 56 3 Projektierungsbeispiel 57 3.1 Anlagenbeschreibung 57 3.2 Berechnung der Rohrnetzkennlinie 57 3.3 Weitere Schritte entsprechend Projektierungsablaufplan 58 4 Gründe für die Automatisierung und Regelung von Pumpen 65 4.1 Betriebssicherheit 65 4.2 Betriebsverhalten verbessern 65 4.3 Produktqualität steigern 6 4.4 Betriebskosten / Lebenszykluskosten senken 66 4.5 Anlageninformation verbessern 66 5 Automationskonzepte im Überblick 67 5.1 Parallelschaltung gleicher Pumpen mit einem Frequenzumrichter 68 5.2 Parallelschaltung gleicher Pumpen mit zwei Frequenzumrichtern 69 5.3 Parallelschaltung ungleicher Pumpen 7 5.4 Weitere elektrische Schaltungskonzepte aus dem KSB-Programm 71 Übersicht Projektierungsablauf 72 3

1 Grundlagen 1 Grundlagen 1.1 Hydraulische Grundlagen 1.1.1 Pumpengrundlagen Die Aufgabe einer Pumpe besteht darin, in einer Flüssigkeit Druck und Förderstrom zu erzeugen. Zur Bewältigung dieser Aufgabe wurden verschiedene Pumpenbauarten entwickelt. Die wichtigsten Bauarten sind die Verdränger- und die Kreiselpumpen. Verdrängerpumpen Diese kommen vor allem dort zur Anwendung, wo kleine Förderströme bei großen Förderhöhen benötigt werden. Ihr Arbeitsprinzip beruht auf der periodischen Volumenveränderung von Arbeitsräumen, die durch Trennelemente gegen die Saugund Druckleitung abgegrenzt werden. Pumpenförderhöhe H [%] 12 1 8 6 2 n min n max 2 6 8 1 Q [%] 12 Pumpenförderstrom Bild 1: Typische Kennlinien einer Verdrängerpumpe für unterschiedliche Drehzahlen Pumpenförderhöhe H [%] 12 1 8 6 2 Pumpenbetriebsbereich min Pumpenbetriebsbereich max Q max 2 6 8 1 Q [%] 12 Pumpenförderstrom Bild 2: Typischer Arbeitsbereich einer Kreiselpumpe mit Pumpenkennlinie unterschiedlicher Drehzahlen Typische Vertreter sind: Hubkolbenpumpe Verdrängerpumpe Membranpumpe Zahnradpumpe Schraubenspindelpumpe Flügelzellenpumpe Schlauchpumpe etc. Ihre gemeinsamen Hauptmerkmale sind: Der Förderstrom variiert mit der Dreh- bzw. Hubzahl. Die Förderhöhe hingegen ist davon unabhängig. Aufgrund dieses Verhaltens müssen Verdrängerpumpen gegen unzulässig hohe Drücke geschützt werden. Eine Veränderung des Förderstromes ist nur durch eine Änderung der Dreh- bzw. Hubzahl oder durch zusätzliche Einrichtungen (Bypass) möglich. Die Pumpenkennlinie zeigt für konstante Drehzahl den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Förderhöhe (Pumpendruck). Bei Änderung der Drehzahl ändert sich der Förderstrom proportional zu dieser. 4

Grundlagen 1 Kreiselpumpen: Für die meisten technischen Anwendungen werden Kreiselpumpen verwendet. Dies begründet sich vor allem in folgenden Eigenschaften: robuste Bauart einfacher Aufbau preisgünstige Fertigung gutmütiges Betriebsverhalten gute Regelbarkeit Ihr Arbeitsprinzip beruht auf der Energieübertragung durch Strömungsumlenkung und zusätzlicher Fliehkraftwirkung bei Radiallaufrädern. Im Gegensatz zu Verdrängerpumpen ist der maximale Pumpendruck bereits durch das Arbeitsprinzip begrenzt. Besondere Schutzeinrichtungen gegen Überdruck sind selten erforderlich. Ausgehend von der Annahme, die Antriebsdrehzahl ist konstant, können unterschiedliche Förderströme einfach mittels Drosselarmaturen eingestellt werden. In der Pumpenkennlinie ist der zulässige Arbeitsbereich dargestellt. 5

1 Grundlagen 1.1.2 Förderstromanpassung Förderstromanpassung durch Drosselung H [%] 16 1 12 Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie (Teillast) B 2 Eindrosseln Anlagenkennlinie (Volllast) 1 8 Förderhöhenüberschuss B 1 6 Bild 3: Schema der Drosselung Durch gezieltes Vergrößern der Anlagenwiderstände Eindrosseln einer Armatur wird die resultierende Anlagenkennlinie steiler. Bei konstanter Drehzahl der Pumpe verlagert sich der Betriebspunkt auf der Pumpenkennlinie hin zu kleinerem Förderstrom. Die Pumpe erzeugt hierbei einen höheren Druck (Förderhöhe), als für die Anlage erforderlich ist. Der hierdurch entstehende Förderhöhenüberschuss wird in der eingedrosselten Armatur als Druckgefälle abgebaut. 2 P W [%] 12 1 8 6 2 2 Leistungseinsparung 2 Förderhöhenbedarf P W2 6 6 Bild 4: Pumpen- und Leistungskennlinie 8 8 1 P W1 1 12 12 Q [%] Q [%] Bewertung + Geringer regelungstechnischer Aufwand + Vorteilhaft bei überwiegendem Volllastbetrieb + Geeignet für Anwendungen mit geringer Betriebsdauer + Gut geeignet bei flachen Pumpenkennlinien Zu hoher Pumpendruck, insbesondere bei steilen Pumpenkennlinien Schlechter Pumpenwirkungsgrad in Teillast Geringe Leistungseinsparung in Teillast Ungünstiges Regelverhalten bei hohen Förderüberschüssen Drosselarmatur erforderlich Mechanische Beanspruchung der Drosselarmaturen Gefahr von Strömungsgeräuschen bei starker Eindrosselung (z.b. in Thermostatventilen). 6

Grundlagen 1 Förderstromanpassung durch Bypassregelung H [%] 16 Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie (Teillast) 1 Anlagenkennlinie (Vollast) 12 1 Nutzförderstrom B 2 Bypassförderstrom B 1 8 6 Förderhöhenüberschuss Bild 5: Schema der Bypassregelung Die Bypassleitung ist parallel zur Pumpe angeordnet. Der Pumpen- 2 P [%] 2 Förderhöhenbedarf 6 8 1 12 Q [%] förderstrom teilt sich dabei in 12 den Nutzförderstrom, der in die Anlage fließt und den Bypassförderstrom, der indirekt oder direkt auf die Vordruckseite der Pumpe zurückgeführt wird 1 8 6 Konstante Wellenleistung (keine Einsparung) P W1 (s. Bild 5). Durch Änderung des 2 Bypassförderstromes bzw. der Bypassrohrleitungskennlinie mit- 2 6 8 1 12 Q [%] tels Regelventil kann somit der Nutzförderstrom variiert wer- Bild 6: Pumpen- und Leistungskennlinie den. Die Pumpe selbst läuft dabei nahezu im gleichen Betriebspunkt, d.h. im Auslegepunkt der Anlage bei Volllastbetrieb. Bewertung + Auch in Teillast kein Förder- Erhöhter Bauaufwand höhenanstieg (Bypassschaltung) + Im Gegensatz zur Drosselung Keine Reduzierung der Leis- bleibt bei Förderstromverstel- tungsaufnahme bei Teillast lung der Pumpendruck kon- In Teillast immer noch Förder- stant höhenüberschuss + Sinnvoll bei geringer Förder- Energetisch unwirtschaftliche höhe mit großen Förderströmen Förderstromanpassung + Gut geeignet, wenn Volllastbetrieb überwiegt 7

1 Grundlagen Förderstromanpassung durch Parallelschaltung von Pumpen H [%] 16 1 H A 12 H E 8 6 Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie 2 (Teillast) Ausschaltniveau B 2 Anlagenkennlinie 1 (Volllast) B N Einschaltniveau Förderhöhenüberschuss 2 Förderhöhenbedarf 2 6 8 1 12 Q [%] Bild 7: Schema Pumpenparallelschaltung P [%] 1 8 6 Leistungseinsparung Werden Pumpen entsprechend Bild 7 parallel geschaltet, so addieren sich ihre Teilförderströme. Für die Konstruktion der Parallelarbeitskennlinien werden die Teilförderströme aller beteiligten Pumpen auf mehrere unterschiedliche Druckniveaus (zwischen Null- und Mindestförderhöhe) addiert. Die Parallelkennlinie ergibt sich durch Addition der Förderströme bei derselben Förderhöhe. Für die Praxis gilt hier zu beachten, dass bei steigendem Förderstrom auch die Anlagenwiderstände wachsen und somit der tatsächliche Betriebspunkt im Parallelbetrieb auch auf diesem höheren Druckniveau liegt. Das führt dazu, dass der Förderstromzuwachs kleiner ausfällt als ursprünglich erwartet. 8 2 2 2 6 6 Bewertung + Sehr gut geeignet bei flachen Anlagenkennlinien mit hohem statischen Förderanteil + Gute Teillastanpassung + Hoher Anlagenwirkungsgrad + Geringer steuerungstechnischer Aufwand bei druckabhängiger Pumpenschaltung + Hohe Betriebssicherheit durch mehrere Pumpen (Redundanz) 8 8 1 1 Q [%] Q [%] Bild 8: Pumpen-, Leistungs- und Wirkungsgradkennlinie für eine, zwei und drei Pumpen im Parallelbetrieb 12 12 Erhöhter baulicher Aufwand (Rohrleitung, Armaturen, Pumpen, Platzbedarf) Bei ungünstiger Auslegung hohe Schalthäufigkeit bei flachen Pumpen-/Anlagenkennlinien ist die Pumpenschaltung förderstromabhängig Problematisch bei großen Vordruckschwankungen

Grundlagen 1 Förderstromanpassung durch Drehzahlregelung Gesetzmäßigkeiten bei stufenloser Drehzahlregelung von Kreiselpumpen Im Unterschied zu den bisher genannten Verfahren der Förderstromanpassung ermöglicht die stufenlose Drehzahlregelung durch Ändern der Pumpenkennlinie eine stetige Anpassung der Pumpenleistung an die Anlagenerfordernisse. Bei linear ansteigendem Förderstrom erhöht sich der Anlagenwiderstand (Rohrnetzkennlinie) quadratisch. Die Kreiselpumpe verhält sich ähnlich. Bei linear steigendem Förderstrom und linear steigender Drehzahl wächst die resultierende Förderhöhe ebenfalls quadratisch. Durch diese Gesetzmäßigkeiten wird schon mit relativ geringen Drehzahlveränderungen ein weiter Arbeitsbereich abgedeckt. Nach dem Ähnlichkeitsgesetz gelten für Kreiselpumpen folgende Zusammenhänge (s. Bild 9): n Förderstrom Q 2 = Q 1 ( 2 ) n 1 n Förderhöhe H 2 = H 1 ( ) 2 2 n 1 n Leistungsaufnahme P 2 = P 1 ( ) 3 2 n 1 Reale Anlagen In der Praxis liegen häufig Anlagen vor, in denen sich das Verbrauchsverhalten durch variable Drosselung oder Mischvorgänge äußert. Die Aufgabe der stufenlosen Pumpendrehzahlregelung liegt darin, mit geringst möglicher Drehzahl (= Aufwand), den jeweiligen Anlagenbedarf zu decken. Bild 9 H [%] 16 1 12 1 8 6 2 P [%] 1 8 6 2 H [%] 16 1 12 1 8 6 2 2 Leistungseinsparung 2 Bewertung + Vermeidung von Drucküberschüssen + Sanftes Anfahren der Pumpen am Frequenzumrichter + Siehe auch Kapitel 4 + Schonung (Verschleißminderung) mechanischer Bauteile + Reduzierung hydraulischer 8 % B 2 7 % 6 % 5 % Förderhöhenbedarf P 2 6 6 8 6 % 5 % 8 Anlagenkennlinie (Teillast) 7 % B 1 1 P 1 8 % 1 8 % 7 % 6 % Anlagenkennlinie (Volllast) 9 % 9 % 9 % n = 1 % 12 Q [%] n = 1 % 12 n = 1 % Q [%] System characteristic curve Anlagenkennlinie (Volllast) 2 6 8 1 12 B 1 Q [%] Bild 1: Betrieb einer drehzahlgeregelten Pumpe bei unterschiedlichen Anlagenkennlinien Rückwirkungen + Leistungseinsparung + Geringe Netzbelastung durch reduzierte Anlaufströme + Reduzierung Lebenszykluskosten Höherer regelungstechnischer Aufwand 9

1 Grundlagen Förderstromanpassung durch Kombination von Parallelschaltung und Pumpenregelung Die Aufteilung des Förderstromes auf mehrere Pumpen kommt immer dann zur Anwendung, wenn stark schwankender Verbrauch in Verbindung mit den folgenden Anforderungen auftritt: Minimierung der Leistungsaufnahmen Reduzierung der Anlagenkosten Einhalten des Pumpenmindestförderstromes Pumpenförderhöhe Betriebsbereich bei einer geregelten und zwei ungeregelten Pumpen Erweiterter Betriebsbereich, wenn alle drei Pumpen geregelt sind Pumpenförderstrom Bild 11 Eine erste grobe Anpassung der Die Feinanpassung wird mittels Pumpenleistung an den Anlagenbedarf erfolgt durch den Parallel einer oder mehrerer Kreisel- stufenloser Drehzahlregelung betrieb. pumpen erreicht. Netz FU Bild 12: Eine geregelte Pumpe Bewertung einer geregelten Pumpe + Breiter Regelbereich hinsicht- + Geringe Antriebsenergiekosten lich Förderstromanpassung + Vertauschung der geregelten (mit eingeschränkter Pumpe möglich Förderhöhenbandbreite) + Hohe Regelgüte Eingeschränkter Einsatz bei + Redundanz auf der Pumpenseite Vordruckschwankungen + Reduzierte Schalthäufigkeit Eingeschränkter Arbeitsbereich im Regelbetrieb + Reduzierte mechanische Belastung + Reduzierte hydraulische Rück- Mittelhohe Anschaffungskosten wirkung Bewertung mehrerer geregelter Pumpen 1 Netz Bild 13: Mehrere geregelte Pumpen + Vergrößerter Regelbereich hinsichtlich Förderstrom und Förderhöhenanpassung + Einsatz bei großen Vordruckschwankungen + Geringer Energieeinsatz durch bestmögliche Vordruckausnutzung + Große Variation des Sollwertbereiches möglich + Höchste Regelgüte + Volle Redundanz (Pumpen und FU) + Stark reduzierte Schalthäufigkeit + Stark reduzierte mechanische Belastung + Stark reduzierte hydraulische Rückwirkung + Geringste Antriebsenergiekosten + Pumpenwechsel ohne Beeinflussung der Regelgüte möglich Hohe Anschaffungskosten

Grundlagen 1 1.1.3 Kennlinienumrechnung bei variabler Drehzahl Bei gleicher Pumpe und Förderflüssigkeit ändern sich die Förderdaten einer Kreiselpumpe, bei variabler Drehzahl, nach den folgenden Modell-/Affinitätsgesetzen: Formel 1 Formel 2 Formel 3 Q 1 Q 2 = H 1 H 2 = P 1 P 2 = n 1 n 2 n 1 n 2 n 1 n 2 Im Folgenden wird die Berechnung von Pumpenkennlinien exemplarisch für den Parallelbetrieb von zwei Pumpen durchgeführt (eine Pumpe stufenlos drehzahlgeregelt, die zweite mit Festdrehzahl). Zur Vereinfachung wird hier von einem geschlossenen Kreislauf ohne statischen Gegendruck ausgegangen. Mit den darin dargestellten Berechnungsmethoden kann der Anwender auch Fälle mit Einzelpumpen oder auch Mehrpumpenanlagen lösen. Für ein tieferes Verständnis des hydraulischen Zusammenspiels zwischen Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie empfiehlt sich, nach dem gegebenen Muster, einige Anlagen selbst durchzurechnen. Für die tägliche Arbeit 2 3 unterstützen komfortable EDV- Programme die Berechnung. Ziel der folgenden Berechnungsgänge ist die Erstellung eines Pumpenkennfeldes mit allen wichtigen Kennlinien. Rohrnetzkennlinie (Anlagenkennlinie) Regelkennlinie Pumpenkennlinie (Nenndrehzahl) Affinitätsparabeln Pumpenkennlinien (für reduzierte Drehzahlen) Pumpenkennlinien im Parallelbetrieb Leistungskennlinien (ungeregelt, geregelt) für Einpumpenbetrieb und Parallelbetrieb Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine eventuell durchzuführende Wirtschaftlichkeitsberechnung. Für den weiteren Rechengang ist es hilfreich, eine Gleichung abzuleiten, die eine Beziehung zwischen Förderhöhe und Förderstrom herstellt. Hierzu wird Formel 1 quadriert und in Formel 2 eingesetzt (Formel 4). Formel 4 H 1 H 2 = Q 1 Q 2 2 n 2 = 1 n 2 Durch nochmalige Umstellung erhalten wir Formel 5. Formel 5 H 1 = H 2 Q 1 Q 2 2 Mit dieser Formel kann im Q/H- Diagramm eine Parabel zweiten Grades, vom Ursprung (Q =, H = ) durch einen Punkt B 2 (H 2, Q 2 ) berechnet werden. Die Größenwerte H 2 und Q 2 sind bekannt, da ja die Parabel diesen Punkt schneiden soll. H 1 and Q 1 sind unbekannt und werden deshalb im Folgenden mit H x und Q x bezeichnet. Der Förderstrom Q x wird, je nach erforderlicher Genauigkeit, für mehrere Punkte auf der Parabel angenommen und H x dann nach der abgeleiteten Formel berechnet. Die Wertepaare Q x und H x sind im Folgenden, der besseren Übersichtlichkeit wegen, in Tabellenform dargestellt. Legende: B: Betriebspunkt H: Förderhöhe Q: Förderstrom n: Drehzahl P: Leistungsaufnahme an der Pumpenwelle x: Gesuchte Größe Indizes: N: Nenn : Bei Null-Förderstrom 1; 2: Pumpe 1; Pumpe 1 + 2 parallel... : Bei ungeregeltem Betrieb W: Führungsgröße Z: Zwischenpunkte 11

1 Grundlagen Berechnung der Rohrnetzparabel mit Formel 5 Die Rohrnetzkennlinie verläuft im geschlossenen System vom Nullpunkt bis zum Betriebspunkt B N (Volllast). H x = H N ( Q x / Q N ) 2 = 1 % ( Q x / 1 % ) H x Vorgegeben Q X 25 5 75 11 Gesucht H X 6 25 56 121 Anmerkung: Die Rohrnetzkennlinie/Anlagenkennlinie für offene Systeme mit statischem Gegendruck wird im Kap. 1.2.5 erläutert. 2 H [%] 12 Nennförderhöhe H N 1 8 6 2 Bild 14 Rohrnetzkennlinie 2 6 8 1 Q N B N Nennförderstrom Q [%] Berechnung der Regelparabel Der Ursprung der Parabel wird durch eine kleine Erweiterung der Formel auf die Höhe des Sollwertes verschoben (siehe S. 27, Bild 55 und S. 5, Bild 77). H x = (H N - H W ) ( Q x / Q ) N + H W 2 = 35 % ( Q x / 1 % ) + 65 % H x Vorgegeben Q X 25 5 75 Gesucht H X 67 74 85 Die Regelkennlinie/-Parabel ist eine theoretische Kennlinie, auf der der Betriebspunkt wandern soll. Sie stellt sicher, dass vom Mindest- bis zum Nennförderstrom 2 H [%] 12 H N 1 Nennförderhöhe B N 8 H W 6 2 Regelkennlinie 2 6 8 1 Q [%] Q N Bild 15 stets genügend Pumpenförderhöhe zur Deckung der jeweiligen Verbraucher Betriebsverhalten und Rohrnetzdruckverluste und des Zeitlich ähnliches oder Nutzdruckes am Verbraucher unabhängiges Lastverfahren zur Verfügung steht. Anlagendimensionierung Der Wert von HW ist abhängig von folgenden Einflussfaktoren: Nennförderstrom 12

Grundlagen 1 Pumpenauswahl Es wird eine Pumpe ausgewählt, die bei halbem Nennförderstrom die Nennförderhöhe erreicht (B 2 ). Außerdem muss die Pumpenkennlinie mindestens die Regelkennlinie schneiden (B 1, max ) (siehe auch Kapitel 1.1.1). Bei Anlagen mit zwei Pumpen (ohne Reservepumpe) und Ausfall einer Pumpe muss mindestens die Anlagenkennlinie geschnitten werden (B 1, Störung ), da sonst die verbleibende Pumpe überlastet wird. H W H [%] 12 H N 1 8 6 2 Bild 16 Pumpe 1 Nennförderhöhe Regelkennlinie B 2 B 1,max Anlagenkennlinie (Volllast) B 1,Störung 2 Q N 6 8 1 Q 2 1,max Q N Nennförderstrom Q [%] Berechnung der Affinitätsparabel durch: B 2 (Q B2, H B2 ) Entsprechend den Affinitätsgesetzen ändert sich der Betriebspunkt B 2 durch Drehzahlreduzierung der Pumpe entlang der Affinitätsparabel. Mit der unten stehenden Gleichung wird der Verlauf der Affinitätsparabel ermittelt. Es ergibt sich der Arbeitspunkt B 2 auf der Regelkennlinie. H [%] 12 B 2 H B2 1 8 6 2 Bild 17 Affinitätsparabel B 2 2 6 8 1 Q B2 Q N Q [%] H x = = H x H N ( Q x / Q' B2 ) 1 % ( Q x / 5 % ) 2 2 Vorgegeben Q X 15 25 35 Gesucht H X 9 25 56 13

1 Grundlagen Berechnung der Affinitätsparabel durch: B 1 (Q B1, H B1 ) Mit dem gleichen Berechnungsgang wie zuvor wird ein weiterer Punkt (B 1 ) auf der Regelkennlinie ermittelt. Für viele Fälle ist es sinnvoll, den Punkt B 1 bei halbem Pumpenförderstrom zu wählen. H x = H' B1 ( Q x / Q' B1 ) 2 = 115 % ( Q x / 25 % ) H x 2 H [%] 12 B 1 H B1 1 8 6 2 Bild 18 B 1 Affinitätsparabel 2 6 8 1 Q B1 Q N Q [%] Vorgegeben Q X 1 15 2 25 Gesucht H X 18,4 41,4 73,6 115, Pumpenkennlinie durch B 2 mit Drehzahl n 2 Die genauen Werte lassen sich auch rechnerisch ermitteln. Für den praktischen Gebrauch reichen die abgelesenen Werte vollkommen aus. Wir lesen ab: Q B2 = 42 %; H B2 = 71 % Mit den untenstehenden Gleichungen errechnen wir zuerst aus dem Verhältnis der Förderhöhen die reduzierte Drehzahl für den Arbeitspunkt B 2. Drehzahl bei B 2 : (Q B2 = 42 %, H B2 = 71%) n 2 = n N n 2 = 1 H B2 H' B2 71 % 1 % = 84 % H [%] H 12 H B2 1 H,2 8 H B2 6 2 Bild 19 B B,2 Pumpenkennlinie B 2 n 2 2 6 8 1 Q 2 Q N Im zweiten Schritt wird für diese Drehzahl n 2 die Förderhöhe im Mengennullpunkt H.2 berechnet. Damit lässt sich die Pumpenkennlinie für n 2 mit hinreichender Genauigkeit zeichnen. Förderhöhe bei Q = und n = n 2 B 2 n N Q [%] 2 H.2 = H ( n 2 / n N ) = 84 % / 1 % 2 12 % ( ) = 85 % H.2 14

Grundlagen 1 Pumpenkennlinie durch B 1 mit Drehzahl n 1 Die Pumpenkennlinie durch den Arbeitspunkt B 1 wird mit dem gleichen Berechnungsgang wie vorher berechnet. H [%] H 12 H B1 1 8 H.1 H B1 6 B B 1 Pumpenkennlinie B 1 n 1 n N Drehzahl bei B 1 : (Q 1 = 19 %, H 1 = 66 %) 2 n 1 = n N H B1 H' B1 2 6 8 1 Q N Q [%] n 1 = 1 65 % 115 % = 76 % Bild 2 Förderhöhe bei Q = und n = n 1 2 H.1 = H ( n 1 / n N ) = 76 % / 1 % 2 12 % ( ) = 69 % H.1 Addition der Pumpenkennlinien Die Parallelarbeitskennlinie ergibt sich durch Addition der Förderströme der beiden Einzelkennlinien: H [%] H 12 H.2 H 4 1 8 B.2 Pumpe 1 B 4 Z 4 Z 4 B 4 Pumpe 1, ungeregelt mit Nenn- 6 n B 2 4 Z 4 B 4 Q Z 4 drehzahl n N Pumpe 2, geregelt mit Dreh- 2 zahl n 2 Ausgehend von der Nullförderhöhe H bis zur Förderhöhe H.2 wird der Förderstrom nur von Pumpe 1 erzeugt. Pumpe 2 beginnt im Punkt B 4 bei geringer werdendem Gegendruck mit der Förderung. Der Schnittpunkt der Summenkennlinie der beiden Pumpen mit der Regelkennlinie liegt in B 4 bei der Förderhöhe H 4. Bild 21 2 6 8 1 Q N Q [%] Auf diesem Druckniveau leistet die Pumpe 1 den Förderstrom von Q bis Z 4 und die Pumpe 2 den Förderstrom von Z 4 bis B 4. 15

1 Grundlagen Ermittlung von Hilfspunkten und Zwischenkennlinien a) Betriebspunkt B 3 mit Hilfspunkt Z 3 Da die Betriebspunkte B N und B 4 relativ weit auseinander liegen, wird ein zusätzlicher Betriebspunkt B 3 dazwischen gelegt. Gewählt wurde der Punkt bei Q B3 = 85 % mit der dazugehörigen Förderhöhe H Z3. In dem Betriebspunkt B 3 fördert die Pumpe mit reduzierter Drehzahl einen Förderstrom, welcher durch die Strecke zwischen den Punkten Z 3 and B 3 dargestellt wird. Zur Konstruktion einer Pumpenkennlinie mit reduzierter Drehzahl wird diese Strecke auf der Förderhöhe H Z3 bis zum Ursprung nach links verschoben. Der Endpunkt ist Z 3. H [%] 12 1 H Z3 8 6 2 Bild 22 B 3 Z 3 Z 3 Z 3 B 3 2 6 8 1 Q B3 Q N H [%] H 12 H B3 H 1 B.3.3 H Z3 8 6 2 Bild 23 B 3 B 4 B 3 Z 3 Z 3 B 3 n 3 Z 3 n N B N Q [%] 2 6 8 1 Q Z3 Q N Q [%] Wir lesen ab: Strecke Z 3 B 3 = 26 %. b) Berechnung der Affinitätsparabel durch Z 3 (Q Z3, H Z3 ) Zur Konstruktion der Zwischenkennlinie ist es erforderlich, den Punkt Z 3 auf die Nenndrehzahl B 3 umzurechnen. Dazu wird die Affinitätsparabel durch den Punkt Z 3 gelegt. Wir lesen ab: H Z3 = 9 %. H x = H' Z3 ( Q x / Q Z3 ) = 9 % ( Q x / 26 % ) H x Vorgegeben Q X 2 3 Gesucht H X 53 12 c) Pumpenkennlinie durch B 3 (Z 3 ) mit Drehzahl n 3 Ermittlung der Drehzahl bei n 3 H B3 = 113 % (abgelesen) (Q Z3 = 26 %, H Z3 = 9 %) 2 2 n 3 = n N n 3 = 1 H Z3 H' B3 9 % 113 % = 89 % Ermittlung der Förderhöhe bei Q = und n = n 3 n 3 (gerechnet) H (abgelesen) n 2 H.3 = H 3 n N 2 89 % H.3 = 12 % 1 % = 95 % 16

Grundlagen 1 Addition der Kennlinien von gleich großen Pumpen 1 und 2 bei Nenndrehzahl Bei der Förderhöhe von z.b. 1 % wird die Strecke bis zum Schnittpunkt mit der Kennlinie von Pumpe 1 gemessen und die gleiche Strecke vom Schnittpunkt aus nach rechts abgetragen. Nach diesem Verfahren werden, je nach Genauigkeitsanforderung, weitere Punkte für die Summenkennlinie der beiden gleich großen Pumpen 1 und 2 gefunden. H [%] 12 1 8 6 L 2 L 2 2 L 1 L 1 2 6 8 1 Q [%] Q N Bild 24 Pumpe 1+2 Leistungsaufnahme von zwei parallelbetriebenen Pumpen bei Nenndrehzahl Die Leistungsaufnahme von einer Pumpe wird als bekannt vorausgesetzt. Gesucht wird die Gesamtleistungsaufnahme bei H [%] 12 1 8 6 B 1 B l,3 B l l,1 B l l,3 B 2 B N Parallelbetrieb. Im Punkt B N haben beide Pumpen jeweils eine Leistungsaufnahme von P 2. Das heißt, bei beiden Punkten wird die doppelte Leistung P 2 x 2 aufgenommen. Auf diese Weise wurden auch die Punkte P 3 x 2 und P 1 x 2 gefunden. P w = Wellenleistung 2 P w [%] 22 18 1 1 6 2 P 1 P 3 6 P x2 1 P 2 8 P x2 3 1 Q N P x2 2 Q [%] 2 2 6 8 1 Q [%] Bild 25 17

1 Grundlagen Leistungsaufnahme der Pumpe 1 bei Regelbetrieb Durch die vorangegangenen Schritte sind die reduzierten Drehzahlen bestimmt worden. Da die Leistungsaufnahme für ungeregelten Betrieb bekannt ist, kann die jeweilige Leistungsaufnahme im geregelten Betrieb berechnet werden. P 1 = P' 1 n 1 n N 3 H [%] 12 1 8 6 2 P w [%] 22 18 B 1 B 2 B B 2 1 n N n n 1 2 2 6 8 B N 1 Q N Q [%] P 1 = 74 % 3 76 % 1 % = 32.5 % 1 1 P 1 P 2 P I,max n 3 P 2 = P' 2 2 n N 3 84 % P 2 = 1 % 1 % = 59.3 % 6 2 P 2 P 1 2 6 8 1 Q [%] P l,max = Leistungsaufnahme wie ungeregelt, da die Drehzahl 1 % = n N beträgt Bild 26 Leistungsaufnahme im Parallelbetrieb (Pumpe 1 mit n N, Pumpe 2 mit n = variabel) Ausgehend von Punkt B 3 waagerecht nach links bis Z 3 ; von diesem senkrecht herunter bis P 3. P 3 ist hierbei die Leistungsaufnahme der ungeregelten Pumpe. P 3 = P 3 + P 3, n 3 Zur Bestimmung der anteiligen Leistung der geregelten Pumpe P 3, n 3 ziehen wir die Formel 3 (Seite 8) heran. Damit gilt: P 3,n3 = P' 3,nN n 3 n N 3 H [%] 12 1 8 6 2 P w [%] 22 18 1 1 6 2 B 4 B 3 B 4 n 3 Z 3 B 3 Z 3 Z B Z 4 4 4 n N n 2 n 3 n 2 2 P 4,nN 2 P 3,nN P N P 3 6 6 P 4 8 8 P 3 P 3,n3 P 3 B N 1 Q N P 5 1 Q [%] Q [%] Bild 27 18

Grundlagen 1 Die weiteren Punkte werden nach gleichem Schema ermittelt: P 3 = P' 3 + P' 3,nN n 3 n N P 3 = 18 % + 8 % P 3 = 164.4 % 3 3 89 % 1 % P 4 = P' 4 + P' 4,n2 n 3 P 4 = P' 4 + P' 4,nN 4 n N 3 84 % P 4 = 112 % + 52 % 1 % P 4 = 143 % P 5 = 2 P N = 2 1 % = 2 % Minimaler Sollwert bei Parallelbetrieb vorhandener Pumpen Bei gegebenem maximalen Pumpenförderstrom (Achtung: Motorleistungsreserve) lässt sich der minimal einzustellende Sollwert wie folgt berechnen: H [%] 12 H N 1 H I,max 8 H w,min 6 2 B I,max B N H W,min = H N - H N - H l,max Q 2 2 N - Q l,max Q N 2 2 6 8 1 Q I,max Q N Q [%] H W,min =1% - H W,min = 65 % 1% - 8% 1% 2 1% 2-65% 2 Bild 28 Anmerkungen: Leistungsaufnahme bei Drehzahlveränderung Bei Veränderung der Drehzahl wandern die Punkte einer Drosselkurve auf Parabeln zweiten Grades auf die andere Drosselkurve. Bei Drehzahlreduzierungen kleiner 2 % von der Nenndrehzahl bleiben die Wirkungs-grade nahezu konstant. Bei größeren Abweichungen verschlechtert sich der Wirkungsgrad etwas. Da der Leistungsbedarf der Pumpe bei sinkender Drehzahl mit der 3. Potenz abnimmt, fällt die geringe Wirkungsgrad- Verschlechterung nicht ins Gewicht. Bei dem durchgerechneten Beispiel wurde keine Wirkungsgradkorrektur vorgenommen. 19

1 Grundlagen 1.1.4 Wirtschaftlichkeitsberechnung stufenloser Drehzahlregelsysteme mit Frequenzumrichter Wie kann man den Nutzen der Pumpenregelsysteme beweisen? Zur Beweisführung ist es notwendig, die beeinflussenden Faktoren in ihrer Bedeutung zu kennen. Für die Wirtschaftlichkeit einer Pumpenanlage bezüglich der aufzuwendenden Förderleistung sind dies: 1. Die Ausführung der Anlage 2. Die zeitliche Lastverteilung der Anlage 3. Die Pumpe 4. Die aus dem elektrischen Netz aufgenommene Pumpenleistung Die folgenden Ausführungen zeigen vertiefend, in welcher Weise diese Faktoren wirken. Einflüsse durch die Ausführung der Anlage Der Betriebspunkt einer Kreiselpumpe ist immer der Schnittpunkt zwischen der Anlagenkennlinie und der Pumpenkennlinie. Alle Regelungsmethoden verändern daher entweder die Pumpen- oder die Anlagenkennlinie. Die Anlagenkennlinie kennzeichnet den Druckbedarf der Anlage in Abhängigkeit vom Förderstrom. Sie enthält immer dynamische Anteile, die durch die Strömungswiderstände quadratisch mit dem Förderstrom anwachsen wie zum Beispiel bei Umwälzsystemen (Heizung). Sie kann aber auch zusätzliche statische Anteile enthalten, wie geodätische Höhendifferenzen oder anderweitig verursachte Druckdifferenzen, z.b. in Transportsystemen (Druckerhöhung). In Umwälzsystemen hat die Anlagenkennlinie keine statischen Anteile, beginnt also im Ursprung (H = ). Um in der Praxis in den Verbrauchern keine Unterversorgung entstehen zu lassen, liegt der erforderliche Druckverlauf über der Anlagenkennlinie. Sein genauer Verlauf ist von der jeweiligen Anlage abhängig. Die Regelkennlinie, auf der der Betriebspunkt letztendlich wandern soll, muss folglich auf oder über dem erforderlichen Druckverlauf liegen. 876 Betriebsstunden Stillstand 6 [h] [ h] 1 1 1 1 1 1 1 1 76 Mindestförderstrom 2 Jahresdauerlinie II Jahresdauerlinie I Einflüsse durch die zeitliche Belastung der Anlage Der Förderstrom Q einer Kreiselpumpenanlage kann äußerstenfalls zwischen einem Maximalwert und Null schwanken. Ordnet man den Förderstrombedarf im Laufe eines Jahres der Größe nach, so erhält man die geordnete Jahresdauerlinie. Der genaue Verlauf der Jahresdauerlinie ist von der jeweiligen Anlage abhängig und kann von Jahr zu Jahr differieren. In nebenstehendem Bild sind zwei mögliche Kurven eingetragen. Je länger die Betriebszeit und je kleiner die Fläche unterhalb der Jahresdauerlinie, desto größer ist das mögliche Einsparungspotential. Nennförderstrom 6 8 1 Q [%] 12 Bild 29: Belastungsprofil (Beispiel): Die Pumpe ist für 1 % Förderstrom ausgelegt. Diese Leistung wird nur selten im Jahr benötigt. Die meiste Zeit ist ein geringerer Förderstrom erforderlich. Zur Einsparung von Pumpenantriebsleistung passt das Regelsystem die Pumpendrehzahl automatisch dem jeweiligen Anlagenbedarf an. 2

Grundlagen 1 Einflüsse der Pumpe Die Pumpe kann auf verschiedene Weise das Ausmaß des möglichen wirtschaftlichen Regelungserfolges beeinflussen: durch den Verlauf ihrer Kennlinie, durch die unterschiedlich erforderlichen Motorgrößen und durch die konstruktive Gestaltung der Pumpe. Der Verlauf der Pumpenwellenleistung hängt ab von der Steigung der Förderhöhe und dem Verlauf des Pumpenwirkungsgrades. Generell gilt: Je steiler die Pumpenkennlinie, desto flacher die Leistungskennlinie. Die Motorgröße eines Pumpenaggregates ist deswegen von Einfluss, weil das Verhältnis von Investition zur Motorgröße (Euro/kW) erfahrungsgemäß immer kleiner wird, je größer die Leistungen sind. Bei Mehrpumpenanlagen (wie in unserem Beispiel mit 2 Betriebspumpen) erfolgt die Berechnung der Wirtschaftlichkeit nach dem gleichen Schema wie im Folgenden beschrieben. Die aus dem elektrischen Netz aufgenommene Pumpenleistung In Kapitel 1.1.3 wurde nur die unterschiedliche Wellenleistung der Pumpe angesprochen. Will man aber exakt die eingesparte elektrische Antriebsleistung ermitteln, sind noch die folgenden Zusammenhänge wichtig: P [%] 12 8 2 P E,u P W,u P E,g P W,g Elektrische Leistungsaufnahme ungeregelt (P E, u ) Die aufgenommene Leistung im ungeregelten Betrieb erhöht sich gegenüber der Pumpenwellenleistung (P W, u ) um die Motorverlustleistung. Elektrische Leistungsaufnahme geregelt (P E, g ) Die aufgenommene Leistung im geregelten Betrieb wird bestimmt durch die Wellenleistung P W, g plus die Verlustleistung des Frequenzumrichters plus die Motorverlustleistung (in Abhängigkeit vom Frequenzumrichtertyp kann sich die Motorverlustleistung geringfügig erhöhen). Die zusätzlichen Verluste durch geregelten Betrieb sind vernachlässigbar, da eine Leistungseinsparung bereits bei einer Förderstromunterschreitung von ca. 95 % gegenüber dem ungeregelten Betrieb einsetzt (siehe Bild 3). P E 6 8 1 Q [%] 12 Bild 3: Eingesparte elektrische Leistung Im Bild ist durch die schraffierten Flächen dargestellt, dass die absoluten elektrischen Verlustleistungen im geregelten und ungeregelten Fall fast gleich sind. Die anteilig höheren Verluste der stufenlosen Pumpenregelung im Volllastbereich werden bei Teillast ausgeglichen. Für praktische Anwendungen ist es nicht erforderlich, detailliert die elektrische Leistungsaufnahme zu ermitteln. Es ist völlig ausreichend, mit den jeweiligen Wellenleistungen zu rechnen. Dies begründet sich darin, dass, wie im Bild 3 dargestellt, die absoluten elektrischen Verlustleistungen im geregelten und ungeregelten Betrieb fast gleich sind. Legende: P W = Wellenleistung P E = aufgenommene elektrische Leistung u = ungeregelt g = geregelt P E = eingesparte elektrische Leistung 21

1 Grundlagen Drei Anlagensysteme im Vergleich mit und ohne Pumpenregelung Auf den folgenden Seiten wollen wir Anlagensysteme mit und ohne Pumpenregelung vergleichen: im H/Q-Diagramm in der Leistungsaufnahme- Kurve im Einsparungsdiagramm Bei den gezeigten Systemen handelt es sich um geschlossene Umwälzsysteme. Die beschriebenen Betrachtungen und Aussagen lassen sich aber ohne weiteres auf offene Transportsysteme wie z.b. Wasserversorgungsanlagen oder Abwasseranlagen anwenden. 1) Drosselschaltung mit/ohne Pumpenregelung Bild 31 Diagramm: Förderleistung H/Q Der Nennförderstrom, die Nennförderhöhe und die Nenndrehzahl sind jeweils mit 1 % bezeichnet. Die Pumpenkennlinie ist für mehrere Drehzahlen in 1 %-Sprüngen von der Nenndrehzahl nach unten gehend gezeichnet. Die Anlagenkennlinie beginnt im Ursprung des Q/H- Diagramms, da es sich um ein sorgung auftritt, muss der Pumpendruck immer über dieser Kurve geschlossenes Anlagensystem handelt, der Verlauf ist parabelförmig. Die Steigung der An- Aus hydraulischen und energe- liegen. lagenparabel ist abhängig von tischen Gründen soll der Pumpendruck aber sehr nahe an dieser den Verlusten im Rohrnetz und damit auch von Drosselvorgängen der Verbraucher. Die von Regelkurve, auf der dann der Grenze liegen. Das heißt, die der Pumpe erlaubte Schwankung Betriebspunkt (Schnittpunkt der der Anlagenkennlinie ist durch Anlagenkennlinie mit der Pumpenkennlinie bei der jeweiligen den Mindest- und Maximalförderstrom begrenzt. Drehzahl) wandert, soll Der erforderliche Druckverlauf möglichst wenig über dem liegt in der Praxis über der Anlagenkennlinie. Damit an keiner erforderlichen Druckverlauf liegen. Verbraucherstelle eine Unterver- H [%] n = 1 % 12 n = 9 % 1 n = 8 % 8 n = 7 % n = 6 % n = 5 % Nennförderhöhe Anlagenkennlinie (Volllast) opt B N Q max Regelkennlinie Erforderlicher Druckverlauf n = % 2 6 8 1 Q [%] 12 Nennförderstrom Bild 32 Betriebsbereichsgrenze 22

Grundlagen 1 Diagramm: Leistungsaufnahme Analog dem Q/H-Diagramm ist bei Nennförderstrom und Nenndrehzahl die Leistungsaufnahme mit 1 % bezeichnet. Entsprechend der Pumpenkennlinien sind auch die Leistungsaufnahmen bei 1%-igen Drehzahlsprüngen gezeichnet. Wandert nun der Betriebspunkt vom Auslegungspunkt auf der Regelkennlinie zu geringerem Förderstrom, lässt sich die zugehörige Wellenleistung der Pumpe leicht ermitteln. Der Schnittpunkt der Regelkennlinie mit der jeweiligen Pumpenkennlinie im Q/H- Diagramm wird nach unten gelotet, bis im Leistungsdiagramm die der Drehzahl entsprechende Leistungskurve geschnitten wird. So wird mit allen Schnittpunkten verfahren. Im Leistungsdiagramm können dann die Schnittpunkte verbunden werden, und man erhält die aufgenommene Wellenleistung bei Drehzahlregelung. Zwischen dieser Kurve und der Leistungsaufnahme bei Drosselung und konstanter Drehzahl liegt die durch Drehzahlanpassung eingesparte Wellenleistung. P W [%] 12 Leistungsaufnahme an der Pumpenwelle Bild 33 1 8 P E [%] 12 Einsparung an electrischer Leistung Bild 34 2 8 2 Diagramm: Einsparung Leistungsaufnahme bei Drosselregelung Leistungseinsparung Leistungseinsparung Die aus dem Leistungsdiagramm ermittelte Einsparung wird nun übertragen. Die Motorwirkungsgrade bei ungeregeltem Betrieb bzw. bei geregeltem Betrieb, zusätzlich auch die Frequenzumrichterwirkungsgrade, sind in diesem Diagramm bereits berücksichtigt. Bei Nennförderstrom ist die Einsparung natürlich gleich Null bzw. sogar negativ, steigt aber bei reduziertem Förderstrom beachtlich an. Leistungsaufnahme bei Drehzahlregelung 6 8 1 Q [%] 12 6 8 1 Q [%] 12 23

1 Grundlagen 2) Drosselschaltung mit eingebautem Überströmventil mit/ohne Pumpenregelung Diagramm: Förderleistung H/Q Der Nennförderstrom, die Nennförderhöhe und die Nenndrehzahl sind jeweils mit 1 % bezeichnet. Die Pumpenkennlinie ist für mehrere Drehzahlen in 1 %-Sprüngen von der Nenndrehzahl nach unten gehend gezeichnet. Die Anlagenkennlinie beginnt im Ursprung des Q/H- Diagramms, da es sich um ein geschlossenes Anlagen-System handelt. Der Verlauf ist parabelförmig und soll bei voll geöffneten Verbrauchern durch den Auslegungspunkt (1 %) gehen. Wird der Durchfluss durch die Verbraucher gedrosselt, öffnet das Überströmventil und lässt den nicht benötigten Förderstrom abfließen. Für die Pumpe bedeutet das, dass sie fast ständig bei annähernd voller Leistung arbeitet. Ohne Drehzahlanpassung wird der mögliche Druckanstieg auf der Pumpenkennlinie durch das Überströmventil begrenzt mit dem großen Nachteil, dass fast ständig zuviel Antriebsenergie vergeudet wird. H [%] n = 1 % 12 1 n = 9 % n = 8 % 8 n = 7 % Pumpenförderhöhe P W [%] 12 Leistungsaufnahme an der Pumpenwelle Bild 37 Bild 36 2 1 8 n = 6 % n = 5 % n = % 2 Bild 35 6 Leistungseinsparung Diagramm: Leistungsaufnahme Auch hier ist für den Auslegungspunkt die Leistungsaufnahme gleich 1 % gesetzt. Der durch das Überströmventil bedingte relativ enge Arbeitsbereich der Pumpe führt bei ungeregelter Pumpe zu einer fast konstanten Leistungsaufnahme. Bei geregelter Pumpe kann der Bypass geschlossen bleiben, es muss lediglich der Mindestförderstrom der Pumpe gewährleistet sein. Die Leistungsaufnahme bei Drehzahlanpassung wird wie bei der reinen Drosselung ermittelt. Das heißt, die Schnittpunkte der Regelkennlinie mit den jeweiligen Pumpenkennlinien werden aus dem Q/H-Diagramm herun- Erforderlicher Druckverlauf Anlagenkennlinie Arbeitsbereich der Pumpe Betriebsbereichsgrenze opt Idealisiert dargestellte Leistungsaufnahme bei Differenzdrucküberströmregelung B N Q max 8 1 Q [%] 12 Leistungsaufnahme bei Drehzahlregelung 6 8 1 Q [%] 12 tergelotet, bis sie im Leistungsdiagramm die zugehörige Leistungskurve (bei gleicher Drehzahl) schneidet. Durch Verbinden erhält man dann die aufgenommene Wellenleistung bei angepasster Pumpendrehzahl. Die Leistungseinsparung ist die Differenz zwischen der waagerechten Kennlinie der ungeregelten Leistungsaufnahme und der Kurve der aufgenommenen Wellenleistung bei Regelbetrieb. 24

Grundlagen 1 Diagramm: Einsparung Diese Leistungseinsparung lässt sich wiederum in einem eigenen Diagramm zeigen. Hier wird deutlich, dass durch die Regelung in einem Anlagensystem mit Überströmventil das Energiesparpotential wesentlich größer ist als bei der reinen Drosselung. P E [%] 12 Einsparung an elektrischer Leistung Bild 38 8 2 Leistungseinsparung 6 8 1 Q [%] 12 3) Bypass mit/ohne Pumpenregelung Diagramm: Förderleistung H/Q Der Nennförderstrom, die Nennförderhöhe und Nenndrehzahl sind jeweils mit 1 % bezeichnet. Die Pumpenkennlinie ist für mehrere Drehzahlen in 1%igen Sprüngen von der Nenndrehzahl nach unten gehend gezeichnet. Die Anlagenkennlinie beginnt im Ursprung des Q/H-Diagramms, da es sich um ein geschlossenes System handelt. Ihr Verlauf ist parabelförmig. Der Förderstrom der Pumpe teilt sich auf in einen Nutz- und einen Bypass-Förderstrom. Beide Förderströme können von - 1 % schwanken und ergeben addiert aber immer 1 %. Das bedeutet, die Anlagenkennlinie ist für die Pumpe immer konstant, und der Pumpenbetriebspunkt liegt immer im Auslegungspunkt. Wird die Pumpendrehzahl dem Anlagenbedarf angepasst, wandert der Betriebspunkt bei Teillastbetrieb auf der Anlagenkennlinie nach unten. Bild 39 H [%] n = 1 % 12 n = 9 % 1 n = 8 % 8 n = 7 % n = 6 % n = 5 % Pumpenförderhöhe n = % 2 6 8 1 Q [%] 12 Bild Anmerkung: Bei diesem hydraulischen System ist der (Differenz-) Druck als alleinige Regelgröße unbrauchbar. Hier wird z. B. in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz geregelt. Anlagenkennlinie opt B N Q max Regelkennlinie Betriebsbereichsgrenze 25

1 Grundlagen Diagramm: Leistungsaufnahme Die Leistungsaufnahme im Auslegungspunkt entspricht 1 %. Erfolgt keine Drehzahlregelung bleibt die Leistungsaufnahme über dem gesamten Förderstrombereich konstant. Die Leistungsaufnahme bei Drehzahlregelung wird durch Herunterloten der Schnittpunkte von der Regelkennlinie (hier gleich der Anlagenkennlinie) mit den Pumpenkurven bei unterschiedlichen Drehzahlen ermittelt. Durch Verbinden der Schnittpunkte erhält man die bei Drehzahlanpassung aufgenommene Wellenleistung. Die Leistungseinsparung schwankt zwischen der Nennleistung und der Leistungsaufnahme bei Minimaldrehzahl. Diagramm: Einsparung Die Einsparung zwischen der ungeregelten und der geregelten Wellenleistungskennlinie ist im Einsparungsdiagramm deutlich zu erkennen. Das mögliche Energieeinsparpotential der drei hier vorgestellten Systeme ist hier am größten. Wirtschaftlichkeitsberechnung Vergleich: Drosselschaltung mit und ohne stufenloser Pumpenregelung Zugrunde liegen hier das Q/H Diagramm (Bild 43), das Leistungsdiagramm (Bild 44) für die Leistungsaufnahme an der Pum- P E [%] 12 Einsparung an elektrischer Leistung H [%] n = 1 % 12 1 n = 9 % n = 8 % 8 n = 7 % Pumpenförderhöhe P W [%] 12 Leistungsaufnahme an der Pumpenwelle Bild 41 Bild 42 Bild 43 1 8 2 8 2 n = 6 % n = 5 % n = % 2 Idealisiert dargestellte Leistungsaufnahme bei Bypassregelung Leistungseinsparung Elektrische Leistungseinsparung bei Drehzahlregelung Regelkennlinie 6 8 1 Q [%] 12 Erforderlicher Druckverlauf 6 penwelle, das Diagramm zur Einsparung elektrischer Leistung (Bild 45) und das Belastungsprofil (Bild 46) 1). Stromkosten sind angenommen mit,1 Euro/kWh. Die Jahresdauerlinie wird zwecks besserer Handhabung in Rechteckblöcke umgewandelt. Betrachtet wird jeweils der durchschnittliche Förderstrom für 1 Betriebsstunden. 6 8 1 Q [%] 12 Anlagenkennlinie (Volllast) Betriebsbereichsgrenze Leistungsaufnahme bei Drehzahlregelung opt B N Q max 8 1 Q [%] 12 Jedem durchschnittlichen Förderstrom kann aus dem Einsparungsdiagramm die 1) Im Einsparungsdiagramm (Bild 45) sind die Motorwirkungsgrade bei ungeregeltem bzw. geregeltem Betrieb und zusätzlich die Frequenzumrichter-Wirkungsgrade berücksichtigt. Im Belastungsprofil (Bild 46) ist der Förderstrombedarf der Pumpenanlage im Laufe eines Jahres der Größe nach geordnet aufgetragen. Diese Kurve heißt geordnete Jahresdauerlinie. Je länger die Betriebszeit und je größer die Fläche oberhalb der Jahresdauerlinie, desto größer ist das mögliche Energie-Einsparpotential. 26

Grundlagen 1 eingesparte elektrische Leistung zugeordnet werden. In unserem Beispiel werden ca. 5 % des Förderstroms permanent über 1 Stunden benötigt; die elektrische Leistungseinsparung beträgt dabei durchschnittlich ca. 38 %. Durch Multiplikation der jeweils eingesparten elektrischen Leistungen mit den anteiligen Betriebsstunden und dem Strompreis erhalten wir die Einsparung für den jeweiligen Zeitabschnitt. Nun müssen nur noch die anteiligen Einsparungen addiert werden. Wir erhalten als Ergebnis eine Einsparung von ca. Euro 232,- pro Jahr (bezogen auf 1 kw aufgenommener Nennleistung). Dieses Beispiel wurde der besseren Vergleichbarkeit wegen dimensionslos gerechnet. Nach dem gleichen Muster kann aber für jeden speziellen Anwendungsfall auch mit effektiven Zahlen gerechnet werden. Beträgt z. B. die aufgenommene Wellenleistung bei Nennlast 1 kw, lassen sich ca. Euro 232,- pro Jahr einsparen. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (bezogen auf je 1 kw aufgenommener Nennleistung) Leistungsaufnahme an der Pumpenwelle Bild 44 P E [%] 12 Einsparung an elektrischer Leistung Bild 45 876 Betriebsstunden Stillstand 6 Bild 46 P W [%] 12 1 8 8 P E kw (kw).23.35.38.... 2 Elektrische Leistungseinsparung 2 6 8 1 [h] [ h] 1 1 1 1 1 1 1 1 76 Leistungsaufnahme bei Drosselregelung Mindestförderstrom geordnete Jahresdauerlinie 2 B h/a 1 1 1 1 1 1 Leistungseinsparung S Euro/k Wh E E Euro/a (kw).1 23.--.1 35.--.1 38.--.1.--.1.--.1.--.1 16.-- 232.-- Leistungsaufnahme bei Drehzahlregelung 6 8 1 Q [%] 12 Q [%] 12 Nennförderstrom 6 8 1 Q [%] 12 Anmerkung: Die hier durchgeführte Berechnung beruht auf einer 1 %ig richtigen Rohrnetzberechnung und Pumpenauslegung. In der Praxis ist die Pumpenleistung jedoch oftmals stark überdimensioniert. Folglich ist die Einsparung entsprechend noch größer. P E B S E E E E : Eingesparte elektrische Leistung : Betriebsstunden : Stromkosten : Einsparung an Stromkosten = P E B S 27

1 Grundlagen 1.2 Regelungstechnische Grundlagen 1.2.1 Definition Das Regeln ist ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe (z.b. der Füllstand im Hochbehälter) fortlaufend gemessen und mit dem Sollwert (gewünschter Füllstand) verglichen wird. Falls der Vergleich einen Unterschied zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Istwert der Regelgröße ergibt, findet automatisch eine Anpassung der Stellgröße (hier Pumpendrehzahl) statt, welche die Regelabweichung beseitigt. Dieser Vorgang ist in sich geschlossen, wir sprechen daher vom geschlossenen Regelkreis. 1.2.2 Weitere regelungstechnische Begriffe Steuerung ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen, andere Größen als Ausgangsgrößen auf Grund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeit beeinflussen offener Wirkungsablauf. Bild 47 Regler Regelabweichung xw = x - w Abweichung von der Führungsgröße (vom Sollwert). Messort ist die Stelle in der Anlage, an der die Regelgröße gemessen wird. Stellglied ist das Gerät, mit dem die Stellgröße verändert wird (z. B. Pumpe, Ventil). Stellantrieb Antrieb des Stellgliedes (z. B. Elektromotor, Frequenzumrichter). Istwertgeber wandelt die Regelgröße in ein elektrisches Normsignal (z. B. /4-2 ma oder /2-1 V). Sollwerteinsteller Niveaugeber Sollwert XS konstante Führungsgröße. Sollwert bei Festpunktregelung. Stellgröße y ist die Größe, mit der die Regelgröße gewollt beeinflusst wird (z. B. Drehzahl). Störgröße z ist die Größe, die die Regelgröße von außen unerwünscht ändert (z. B. variabler Durchfluss). Regelstrecke S ist der Teil der Anlage, in dem die Regelgröße konstant gehalten werden soll (alle Teile zwischen Stellort und Messort). Istwert x ist der momentane Wert der Regelgröße (z. B. Differenzdruck gemessen mit Istwertgeber). Z Regelgröße x ist die Größe, die konstant gehalten werden soll. Führungsgröße w variabler Sollwert (z. B. über Außentemperatur oder Förderstrom bzw. Zeitplan geführt). 28

Grundlagen 1 1.2.3 Regelungstechnische Begriffe am Beispiel einer Pumpenregelung X 4-2 ma Messort (X ) W s Regler Y 1 :-1 V Frequenzumrichter Y 2 5-5 Hz Z 1 Z 2 Verbraucher (variables Lastverhalten = Störgröße) 1 2 Istwertgeber für Differenzdruck Signal Wärmetauscher Regelstrecke Bild 48 1.2.4 Regelgrößen für geschlossene hydraulische Kreisläufe Differenzdruckabhängige Regelung Bei variablem Volumenstrom ist der Differenzdruck die richtige Regelgröße. Die Eigenschaft, dass sich Druckänderungen in wassergefüllten Rohrleitungen mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/s fortpflanzen, führt zu einer fast unverzögerten Meldung des sich ändernden Differenzdruckes. Dadurch kann die Pumpe durch Ändern der Drehzahl schnell auf die unterschiedlichen Belastungen reagieren. Im geschlossenen Kreislauf arbeitet die Pumpe nur gegen die Strömungswiderstände an. Geodätische Förderhöhen oder der Systemdruck dürfen hierbei nicht berücksichtigt werden. Bild 49 H [%] 12 1 Regelkennlinie A 8 6 Regelkennlinie B 2 Erzeuger Kälte / Wärme X B Diese Einflüsse lassen sich leicht eliminieren, wenn der Differenzdruck als Regelgröße verwendet wird. In Bild 49 wird Förderstrom durch Drosselung von 1 % Pumpe Pumpenkennlinie B II X A B A Verbraucher Anlagenkennlinien 6 8 1 Q [%] 12 B I A B n 2 B B n 1 auf 8 % zurückgenommen. Bei ungeregelter Pumpendrehzahl wandert der Betriebspunkt von B I auf B II. p n N 29

1 Grundlagen Liegt der Messpunkt an der Pumpe, hat die Regelkennlinie einen geraden Verlauf entsprechend Regelkennlinie A (siehe Kapitel 1.2.6). Für unser Beispiel bedeutet das, dass ein Differenzdruckanstieg X A stattfindet, der durch Reduzierung der Drehzahl von nn auf n1 ausgeregelt wird. Der neue Betriebspunkt liegt dann in BA. Bei ganz flachen Pumpenkennlinien (z.b. Auslegepunkt im Teillastgebiet) kann es passieren, dass X A für eine einwandfreie Regelung zu klein ist. Zur Abhilfe können folgende Maßnahmen beitragen: 1. Den Auslegungspunkt ins hintere Drittel der Pumpenkennlinie legen. 2. Pumpe mit steilerer Kennlinie verwenden. 3. Den Messpunkt von der Pumpe weg in die Anlage verlegen. 4. Zusätzlich zur Differenzdruckmessung eine Führungsgröße aufschalten, z.b. den Förderstrom (oder die Außentemperatur bei Heizungsanlagen). heiten siehe Seite Messort. Selbst bei extrem flach angenommener Pumpenkennlinie führt die Drosselung des Förderstroms auf 8 % (bei gefahrener Regelkennlinie B) zu einer Regelabweichung (X B - X A), die dann ein Ausregeln (auf n 2 ) ermöglicht. Außerdem haben die Maßnahmen 3 und 4 noch weitere positive Auswirkungen: Die Drehzahl n 2 ist wesentlich geringer als n N und n 1. Der Differenzdrucküberschuss, der in Armaturen vernichtet werden muß, ist kleiner. Die Leistungsaufnahme sinkt stärker. Anwendung: Anwenden in Kreisläufen mit variablem Förderstrom (durch Drosselung von Verbrauchern), z. B. in: 2-Rohrsystemen mit Thermostatventilen Primärkreis für die Versorgung von Fernwärme-Übergabestationen Klima-/Lüftungsanlagen Zu beachten: Nicht anwenden in Kreisläufen mit konstantem Förderstrom wie z. B. bei: Einrohrheizungen verbraucherseitigen Pumpen in Rücklaufbeimischschaltungen und Einspritzschaltungen, in denen verbraucherseitig keine Drosselungen stattfinden. Die Maßnahmen 3 und 4 führen zu einer Regelkennlinie mit quadratischem Verlauf, wie z.b. Regelkennlinie B. Die Differenzdruckabweichung entspricht im angegebenen Beispiel der Größe X B. Der Betriebspunkt bei geregelter Pumpe liegt dann in B B mit der Drehzahl n 2. Weitere Einzel- 3