KSB Know-how, Band 7 Planungshinweise KRT 2 D i > DN 2 + 150 D i 0,75 D i C CW C Cp C W C O C O A C B C O
Inhaltsverzeichnis Seite Einleitung 3 1. Allgemeine Pumpenauswahl 4 1.1 Planungsgrößen / Bemessungsdaten 4 1.2 Die Förderhöhe 6 1.3 Der NPSH-Wert 8 1.4 Der Leistungsbedarf 10 1.5 Die Förderaufgabe 11 1.6 Pumpenauswahl 13 1.6.1 Kennlinien 13 1.6.2 Pumpenkennlinie 15 1.6.3 Anlagenkennlinie 15 1.7 Zulässige Betriebsgrenzen für Pumpen 16 1.7.1 Betriebs- oder Arbeitspunkt 16 1.7.2 Betriebsgrenzen Qmin und Qmax 16 1.7.3 Besonderheiten bei Abwassertransport 17 1.8 Pumpenfahrweise 19 1.8.1 Einzelbetrieb 19 1.8.2 Drosselregelung 19 1.8.3 Anpassung des Laufrad-Durchmessers 20 1.8.4 Drehzahlregelung 20 1.9 Parallelbetrieb identischer Baugrößen 21 1.10 Parallelbetrieb unterschiedlicher Baugrößen 22 1.11 Reihenschaltung 22 1.12 Pumpenstaffelung 23 1.13 Konzept der nass aufgestellten Pumpe 24 2. Maschinentechnik und Aufstellung 27 2.1 Auswahl der optimalen Laufrad-Geometrie 27 2.2 Werkstoffauswahl für differenzierte Anwendungen 29 2.3 Wellenabdichtung 31 2.4 Rotor und Lagerung 33 2.5 Aufstellung 34 3. Allgemeine Motorbeschreibung 36 3.1 Motorgrößen 37 3.2 Bauform 37 3.3 Betriebsart 38 3.4 Schutzart 38 3.5 Zündschutzart und Temperaturklassen 38 3.6 Elektrische Bemessungsdaten 38 3.7 KRT-Motoren am Frequenzumrichter 40 3.7.1 Bemessung der Frequenzumrichter 40 3.7.2 Explosionsgeschützte Antriebe 40 1
3.8 Konstruktiver Aufbau des Motors 40 3.9 Kühlung 41 3.10 Überwachungseinrichtungen 41 3.11 Anschluss und Beschreibung der Überwachungseinrichtungen 44 3.12 Kraft- und Steuerleitung mit Leitungsdurchführung 48 3.13 Elektrische Anschlussleitungen 49 3.14 Tefzel Leitung (TEHSITE) 50 3.15 Geschirmte Gummischlauchleitung 51 3.16 Qualitätssicherung und Prüfprotokolle 52 4. Rohrleitungen und Armaturen 53 4.1 Planung der Rohrleitungsanlage 53 4.1.1 Rohrleitungen 53 4.1.1.1 Dimensionierung 53 4.1.1.2 Rohrleitungsführung 56 4.1.1.3 Rohrleitungsbefestigung / -halterung 59 4.1.1.4 Wanddurchführungen 61 4.1.1.5 Rohrleitungswerkstoffe 61 4.1.1.6 Messanschlüsse an Rohrleitungen 62 4.2 Auswahl der Armaturen 63 4.2.1 Vorbemerkungen 63 4.2.2 Auswahlkriterien 63 4.2.2.1 Fördermedien 63 4.2.2.2 Bauarten 63 4.2.2.3 Einbaulage und Fließrichtung 64 4.2.2.4 Werkstoffe 64 4.2.2.5 Nennweite 64 4.2.3 Zuordnungs- Tabelle Armaturenbauarten zu Abwasserarten 65 4.2.4 Einbau 66 4.2.4.1 Einbaulage 66 4.2.4.2 Einbauposition 66 4.2.4.3 Technische Lösungen für den Armaturen-Ein- und -Ausbau 67 5 Bauwerksgestaltung 69 5.1 Vorbemerkungen 69 5.2 Recheneinrichtungen 71 5.3 Schwimmdeckenbildung in Abwasserpumpstationen 74 5.4 Bermenausbildung in Pumpensümpfen 75 5.5 Splitter zur Vermeidung getauchter Wirbel 77 5.6 Abmessungen für den Pumpensumpf und die Pumpenaufstellung 77 5.7 Pumpensümpfe mit hoher Schmutzfrachtbelastung 79 5.8 Die Notwendigkeit von Modelltests 80 5.9 Versuchsaufbau 81 5.10 Bewertung der Ergebnisse 82 5.11 Die Bedeutung von CFD-Simulationen 82 Diagramme 88 2
Einleitung Diese Schrift soll Planern und Betreibern helfen, die am besten geeignete Tauchmotorpumpe der Baureihe Amarex KRT auszuwählen, zu dimensionieren und zu betreiben. KSB hat diese Tauchmotorpumpen als betriebssichere, zuverlässige und energieeffiziente Lösung für alle Förderaufgaben in der kommunalen und industriellen Abwassertechnik konzipiert. Zielsetzung war die möglichst hohe Vielseitigkeit auf der Basis einer großen Auswahl von Materialien, robusten Sensoren und flexiblen Installationsmöglichkeiten. Speziell abgestimmte Hydrauliken, die mit großen freien Durchgängen eine hohe Betriebssicherheit bieten, sorgen für eine optimierte, ökonomische Förderung unterschiedlichster Medien. Der Ex-Schutz erlaubt einen Einsatz auch bei exgefährdeter Umgebung. Ein Schutz gegen zu hohe Erwärmung der Motorwicklung, die absolute Dichtheit aller Kabeleinführungen, eine spezielle Wellenabdichtung und die auf hohe Standzeiten ausgelegten Lager sichern einen langen, störungsfreien Betrieb. 3
0 1 1. Allgemeine Pumpenauswahl 1.1 Planungsgrößen / Bemessungsdaten Bei der Planung bzw. Bemessung einer Pumpe / Pumpstation ist das Ermitteln der Fördermenge und der entsprechenden Förderhöhe von größter Bedeutung. Während beim Festlegen der Förderhöhe konkrete Annahmen über die Höhe der zu erwartenden Verluste getroffen werden können, ist die tatsächlich benötigte Fördermenge von einer Reihe weiterer Einflüsse abhängig. Dies wird im Folgenden diskutiert. Die Fördermenge Die Fördermenge (auch Volumenstrom Q genannt, Angabe z.b. in [l/s] oder [m³/h]) ist definiert als das nutzbare Volumen, das von der Pumpe pro Zeiteinheit durch den Druckstutzen gefördert wird. Interne Volumenströme wie z.b. Leckagen oder Sperrflüssigkeiten zählen natürlich nicht zum nutzbaren Volumenstrom. Eine möglichst genaue Ermittlung der benötigten / anfallenden Fördermenge ist äußerst wichtig für die richtige Dimensionierung der Pumpe(n) und nicht zuletzt für die Größe der Pumpstation selbst. Der tägliche Zufluss zu einer Abwasserpumpstation wird von mehreren Faktoren entscheidend beeinflusst: - der Art des Entwässerungssystems (Mischwasser oder Trennsystem) - der Größe und Struktur des Einzugsgebietes - der Zahl der ans Abwassernetz angeschlossenen Gebäude (und der darin wohnenden Bürger) - der Zahl und der Art der ans Abwassernetz angeschlossenen Industrie- und Gewerbegebiete (ist über die Bemessung der Einwohnergleichwerte berücksichtigt). Dieser Zufluss ist in einer so genannten Ganglinie darstellbar. Sie gibt die ermittelte / typische Abwasser-Zulaufmenge über den Verlauf eines gesamten Tages wieder siehe Beispiele in Bild 1. Zulaufvolumenstrom Qzu in l/s 100 90 80 70 60 50 40 30 20 3600 7200 10800 14400 18000 Im Anhang vergrößert 21600 25200 28800 Beispiel Tagesganglinie 32400 36000 39600 Zeit t in s Bild 1: Beispiel einer Zulaufganglinie für mathematisches Berechnungsmodell 43200 46800 50400 54000 57600 61200 64800 68400 72000 75600 79200 82800 86400 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Faktor Y1 Nennenswerte Unterschiede können sich sowohl in der Charakteristik als auch in der Tagesmenge zwischen Werktagen und arbeitsfreien Feiertagen bzw. Wochenenden ergeben. Bei Regenereignissen muss mit erhöhten Zulaufmengen gerechnet werden. Dies ist im besonderen für das Entwässerungssystem Mischwasser (Abwasser und Niederschlagswasser werden in gemeinsamen Rohrsystemen zur Kläranlage geleitet) von Bedeutung. Die Ganglinie ist somit eine entscheidende Basis zur Auslegung der Pumpenbauart, der Anzahl der Pumpen bzw. Staffelung der Pumpen und deren Antriebsart (z.b. starre oder variable Drehzahl) und nicht zuletzt für die damit verbundene Festlegung der erforderlichen Betriebspunkte der einzelnen Aggregate. 4
Allgemeine Pumpenauswahl 1 Die starken Schwankungen des Zulaufs an Schmutzwasser Q zu siehe Tagesganglinie sind es, die ein zeitindizierte Berechnung erforderlich machen. Die Tagesganglinie wird wie hier im Beispiel Bild 1 nach Gleichung 01 mathematisch abgebildet, wobei die Zustände in Zeitschritten t von 20 s diskret berechnet werden können. In der Berechnung wird diese Tagesganglinie von Inbetriebnahme bis zum Lebensdauerende als periodisch wiederkehrend angenommen. Die Größe Y1 ist die Variable, anhand der die Tagesganglinie in ihrer Ausprägung variiert werden kann. Das 1,5-fache dieser Variablen entspricht dem Maximum der Tagesgangkennlinie, nach der nach EN 752-6 die Einwohnergleichwerte bestimmt werden. So entspricht ein maximaler Zulaufvolumenstrom von 4 l/s in Deutschland 1.000 Einwohnergleichwerten. ( ) Q zu (t)= Y1 + 1 π Y1 sin 21600 (t-21600) 2 Q zu (t)= 1,1 Y1 (1) für 0 t 54000 oder t 64800 für 54000 < t < 64800 Um daraus den Nennförderstrom ( Q N = Förderstrom für den die Pumpe bei Nenndrehzahl n N, der Nennförderhöhe H N und einer angegebenen Förderflüssigkeit vertraglich bestellt wird) einer Pumpe zu bestimmen, ist es vorteilhaft die Berechnung auf der Basis von Volumina fortzusetzen. Ausgehend der Berechnung des Zulaufvolumenstromes nach Gleichung 01 wird nun das Zulaufvolumen V zu berechnet, welches innerhalb eines vorgegebenen Zeitinterwalls zuströmt. So folgt aus ( ( ) 1 π Y1 + 2 Y1 sin 21600 (t-21600) V zu (t)= 3600 dt V zu (t)= 1,1 Y1 dt 3600 (2) für 0 t 54000 v t 64800 für 54000 < t < 64800 Aus dem Zulaufvolumen V zu sowie dem Pumpenfördervolumen V P, das im Zeitintervall gefördert wird, sowie der Schachtgeometrie kann der neue Pegelstand pegel aus dem alten Pegelstand zuzüglich der Volumendifferenz im Verhältnis zur Schachtquerschnittsfläche errechnet werden: (V zu - V p ) pegel = pegel alt + 1 π d 4 2 schacht (3) Zu beachten bzw. einzuhalten sind bei der Variation des Pumpenfördervolumens V P die beiden vorgegebenen Grenzwerte der Mindestüber- deckung und der maximal zulässige Pegelstand. Nun folgt die Berechnung des Fördervolumens V P [1.5]: Q V p = dt [1.6] 3600 (4) 5
1 Allgemeine Pumpenauswahl 1.2 Die Förderhöhe Die Förderhöhe H einer Pumpe (Angabe z.b. in [m]) ist definiert als die auf das Fördermedium übertragene nutzbare mechanische Arbeit, bezogen auf die Gewichtskraft des geförderten Fördermediums bei örtlicher Fallbeschleunigung. Die Dichte ρ des Fördermediums (ρ = m / V [kg/m³], Verhältnis der Masse m in einem gegebenen Volumen V der Förderflüssigkeit) hat keinen Einfluss auf die Förderhöhe einer Kreiselpumpe; sie beeinflusst lediglich den Leistungsbedarf an der Pumpenwelle. Die kinematische Viskosität υ des Fördermediums (υ = η / ρ [m²/s] oder [cst], also das Verhältnis der dynamischen Viskosität bzw. dem Proportionalitätsfaktor η zwischen der Schubspannung und dem Geschwindigkeitsgefälle zur Dichte ρ des Fördermediums) hat ab einer bestimmten Größe Einfluss auf die Förderhöhe, die Fördermenge und den Leistungsbedarf der Pumpe. Der Einfluss auf die Förderdaten beginnt bei Fördermedien mit einer kinematischen Viskosität größer ~ 40 m²/s. Man spricht dann von zähen Flüssigkeiten. In der Abwassertechnik spielen zähe Flüssigkeiten nur bei der Schlammbehandlung in Kläranlagen eine Rolle. Um die Gesamtförderhöhe H einer Pumpenanlage / einer Pumpe bestimmen zu können, sind Kenntnisse über folgende Verhältnisse von wesentlicher Bedeutung: - die Ordinate der Sohle des Zulaufkanals bzw. des Pumpensumpfes - die Ein- und Ausschalt- Ordinaten der Pumpen (entspricht der Mindestüberdeckung und dem maximal zulässigen Pegelstand im Pumpensumpf) - der Verlauf des Geländes (Länge und Höhenverlauf) zwischen der Förderanlage und dem Förderziel - die verbauten Armaturen, Formstücke und Rohrleitungen mit Angabe ihrer Nennweiten DN und ihren Widerstandsbeiwerten ζ - die Auslauf-Ordinate des Förderzieles. Die Grundlagen über den Zusammenhang zwischen Druck und Geschwindigkeit eines Fluids in einer Rohrleitung werden in der Bernoulli- Gleichung beschrieben. 1 2 ρ v 2 + p = const (5) In Worten besagt das Bernoulli- Prinzip: Der Totaldruck in einem reibungsfrei durchströmten Rohr als Summe von statischem und dynamischem Druck ist an allen Stellen gleich. [1.8]. Gültig ist dieses Prinzip bei stationärer, reibungsfreier Strömung eines inkompressiblen Fluids; im gegebenen, realen Anwendungsfall liegt allerdings eine instationäre, reibungsbehaftete Strömung eines inkompressiblen Fluids vor. Die Bernoulli-Gleichung muss aus diesem Grund um die Reibung und die Geschwindigkeitsänderungen erweitert werden. Im Allgemeinen ist es üblich, Druck als Förderhöhe H in Meter Flüssigkeitssäule des geförderten Fluids auszudrücken. Bei Einsatz von Tauchmotorpumpen bleiben nur die Höhendifferenzen, auch mit H GEO beschreibbar, und die Summe aller Verluste Σ H V übrig. Die Gesamtförderhöhe H kann somit mit der vereinfachten Gl. (6) beschrieben werden [1.9]: 6
Allgemeine Pumpenauswahl 1 H = H GEO + Σ H V (6) mit Σ H V = H VS + H VE + H VD Legende: H GEO statische Förderhöhe, messbare Höhendifferenz zwischen saugseitigem und druckseitigem Wasserspiegel bzw. Ordinate H V Gesamtverlusthöhe, entspricht der manometrischen Förderhöhe H man H VS Druckverlusthöhe der Armaturen, Formstücke und Rohrleitungen auf der Saugseite der Pumpe - entfällt bei nass aufgestellten Pumpen wie z.b. der KRT und der Amacan H VE Druckverlusthöhe der Armaturen, Formstücke und Rohrleitungen auf der Druckseite der Pumpe - Einzelstrangverluste bis zur Sammeldruckrohrleitung bei Mehrpumpenanlagen H VD Druckverlusthöhe der Armaturen, Formstücke und Rohrleitungen auf der Druckseite der Pumpe in der Sammeldruckrohrleitung Die Verlusthöhe H V berechnet sich für gerade Rohrleitungen zu [1.10]: L H V = λ d v 2 2 g Für Armaturen und Formstücke berechnet sich die Verlusthöhe H V zu [1.11]: H V = ζ v 2 2 g (7) (8) Hinweis: KSB liefert zusammen mit seinem Auslegungsprogramm eine zusätzliche Software zur Berechnung der erforderlichen Förderhöhen, den so genannten Rohrleitungsrechner. Hier können alle Armaturen, Formstücke und Rohrleitungen mit ihren Nennweiten und Verlustbeiwerten kombiniert und kalkuliert werden, um die Nennförderhöhe der geplanten Förderanlage zu bestimmen [1.12]. Literaturstelle: KSB-Heft Auslegung Kreiselpumpen [1.10] 7
1 Allgemeine Pumpenauswahl 1.3 Der NPSH-Wert Der NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) ist eine wichtige Größe zur Beurteilung des Saugvermögens einer Kreiselpumpe: Er beschreibt den Mindestdruck im Zulauf, den jede Kreiselpumpe benötigt, um kavitationsfrei und betriebssicher arbeiten zu können [1.13]. Es ist zu unterscheiden zwischen dem zugelassenen Kavitationseinfluss mit 3prozentigem Förderhöhenabfall NPSH 3% -Wert der Pumpe ((genannt NPSH erf (erf = erforderlich; im Englischen NPSH reg (req = required)) - auch Haltedruckhöhe der Pumpe genannt - und dem NPSH-Wert der Anlage ((genannt NPSH vorh (vorh = vorhanden; im Englischen NPSH av (av = available)), auch bezeichnet als Haltedruckhöhe der Anlage. Im allgemeinen lautet die Bedingung für kavitationsfreien Betrieb der Pumpe: NPSH vorh ^ NPSH erf, NPSH erf = NPSH 3% + Sicherheitszuschlag (9) Die Höhe des Sicherheitszuschlages wird nach ATV und Hi mit 30% von NPSH 3% der Pumpe festgelegt. Der NPSH- Wert der Anlage kann nach Gl (10a) berechnet werden. pe + p NPSH vorh = z e + b - pd 2 v + e - Hvs ρ g 2 g (10a) Für ein offenenes System kann nicht gemessen werden. man bei Aufstellung bis 1000 m Da sich der NPSH 3% -Wert auf über NN und 20 C Medientemperatur die Formel ereinfachen: ändert, wird er als Funktion des die Fördermenge bezogen Förderstroms NPSH erf = f(q) aufgetragen. NPSH vorh = z e + 10 m Er gibt die erforderliche Druckhöhe in Meter an, die über dem (10b) Dampfdruck der Förderflüssigkeit am Laufradeintritt (Bezugs- Der NPSH 3% -Wert der Pumpe wird bei einem Prüffeldtestlauf punkt für NPSH = Schnittpunkt in einer speziellen Trockenaufstellung durch den Pumpen- zu ihr senkrechten Ebene durch der Pumpenwellenachse mit der hersteller ermittelt und in den die äußeren Punkte der Schaufeleintrittskante, siehe Bild 1.3) Verkaufsunterlagen dokumentiert. In der Nassaufstellung vorhanden sein muss. kann der NPSH-Wert praktisch P S ' P S ' P S ' P S ' P S ' P S ' Bild 1.3: Zur Lage des Bezugspunktes s für NPSH bei unterschiedlichen Laufradformen (Quelle: KSB Auslegung von Kreiselpumpen) 8
Allgemeine Pumpenauswahl 1 Der NPSH 3% -Wert kann vom Pumpenhersteller durch die Vorgabe der Laufradform, die konstruktive Ausführung des Laufrades (Saugmunddurchmesser, Schaufelzahl und Eintrittskantengestaltung) sowie die Auslegungsdrehzahl der Pumpe beeinflusst werden. Der Schaufelkanaleintritt des Laufrades ist der kritische Bereich, da hier nach der Saugleitung bei trocken aufgestellten Pumpen und nach dem Pumpeneintritt bei nass aufgestellten Pumpen der engste vom Fördermedium zu durchströmende Querschnitt vorliegt. Mit der Umströmung der Schaufeleintrittskanten ist in diesem Bereich unvermeidlich eine lokale Druckabsenkung verbunden. Wird durch diese Druckabsenkung der Dampfdruck unterschritten, kommt es zur Bildung von Dampfblasen. Diese werden von der Strömung mitgeführt und fallen schlagartig zusammen, wenn der Druck im Schaufelkanal wieder ansteigt (Schadensbild s. Bild 1.5). Bildung und schlagartiges Zusammenfallen von Dampfblasen bezeichnet man als Kavitation. Da Kavitation gravierende nachteilige Auswirkungen haben kann das reicht vom Abfall der Förderhöhe und des Wirkungsgrades bis hin zum Förderabriss, einer gestörten Laufruhe bzw. einem unruhigen Schwingungsverhalten sowie starken Geräuschemissionen durch das Anfressen des Laufrads bzw. der Pumpeninnenteile - kann sie nur beschränkt zugelassen werden. Im Einzelfall ist das zulässige Maß der Kavitation auch abhängig von den Betriebsbedingungen, dem Zeitraum in dem die Pumpe außerhalb des zulässigen Bereichs läuft, dem Fördermedium und nicht zuletzt von den Werkstoffen, die für die strömungsberührten Bauteile verwendet werden (insbesondere natürlich des Laufrades). Bild 1.4 zeigt, wann das zulässige Maß der Kavitation überschritten ist. Im Schnittpunkt zwischen NPSH vorh und NPSH erf wird die Bedingung aus Gl. (9) nicht erfüllt, d.h. rechts des Schnittpunktes findet kein Fördermengenanstieg mehr statt und die Förderhöhe fällt schnell ab. Diese Art von Kurve bezeichnet man als Abreiss-Ast. Ein längerer Betrieb in diesem Zustand führt zu Schäden an Pumpenteilen (Laufrad, Lagerung, Wellenabdichtung usw.). Durch Erhöhung des NPSH vorh -Wertes (z.b. höherer Einstau im Zulauf) kann der Betriebspunkt B wieder erreicht werden. Im Anhang vergrößert H NPSH QH-Linie H A B A 1 A 2 NPSH vorh (2) NPSH vorh (1) NPSH erf Q1 Q2 Q Bild 1.4: Einfluss von NPSH vorh. auf die Drosselkurve der Pumpe (Quelle: KSB Kreiselpumpen- Lexikon). Bild 1.5: Laufrad mit Kavitationsschäden (Quelle: KSB Kreiselpumpen- Lexikon). 9
1 Allgemeine Pumpenauswahl 1.4 Der Leistungsbedarf Der Leistungsbedarf P 2 einer Kreiselpumpe ist die an der Pumpenwelle oder -kupplung vom Antrieb aufgenommene mechanische Leistung und kann nach Gl. (11) bestimmt werden [1.15]: P 2 = Q H g ρ 1000 η p η p Pumpen- oder Kupplungswirkungsgrad [kw] (11) Trockensubstanzgehalt TS und Beimengungen in der Förderflüssigkeit sind für erhöhten Leistungsbedarf an der Pumpenwelle verantwortlich (das ist durch entsprechende Leistungsreserven bei der Motorauswahl zu berücksichtigen) [1.7]. Der Leistungsbedarf P 2 ist nicht mit der am Antrieb verfügbaren Leistung (sprich Antriebsleistung oder auch Motornennleistung P N zu verwechseln. Diese wird vom Motorhersteller auf dem Leistungsschild ausgewiesen. Verluste des Motors, die mit dem Motorwirkungsgrad η M beschrieben sind. Somit kann der Leistungsbedarf an der Pumpenwelle auch nach Gl. (12) berechnet werden: P 2 = P 1 η M [kw] η M Motorwirkungsgrad (12) Bei der Festlegung der notwendigen Antriebsleistung für die Pumpe sind Leistungsreserven nach EN ISO 9908 vorzusehen. Damit sind Bautoleranzen und Schwankungen der Fördermedieneigenschaften von Abwasser im Normalfall berücksichtigt. Weitere ausführliche Hinweise und Ausführungen zum Thema Motoren finden sich im Kapitel Allgemeine Motorbeschreibung. Bei einer Leistungsmessung an Tauchmotorpumpen kann nur die vom Motor aufgenommene Leistung P 1 gemessen werden. Sie umfasst noch die internen 10
Allgemeine Pumpenauswahl 1 1.5 Die Förderaufgabe Die Bezeichnung der Pumpe nach ihrem Verwendungszweck ist sehr verbreitet. Dabei wird häufig die Betriebsart (z.b. Haupt-, Vor-, Grundlast- oder Spitzenlastpumpe u.a.), das Einsatzgebiet (z.b. Be- oder Entwässerungspumpe, Umwälz-, Chemie-, Prozesspumpe, Regen- oder Trockenwetterpumpe u.a.) oder das Fördermedium (z.b. Trinkwasser-, Seewasser-, Wasserund Abwasserpumpe, Fäkalien-, Gülle-, Schlamm-, Feststoffpumpe) als meist selbst erklärendes Kennzeichen genannt. In der Abwassertechnik finden beinahe ausschließlich Kreiselpumpen und Verdrängerpumpen Verwendung. Während Verdrängerpumpen im wesentlichem in der Schlammverarbeitung eingesetzt werden (z.b. am Faulturm, wo es darauf ankommt, Fördermedien mit hohem Trockensubstanzgehalt (TS > 10 %) zu transportieren), finden sich Kreiselpumpen in nahezu allen Bereichen des Abwassertransports und der Kläranlage. Kreiselpumpen werden entsprechend ihrer konstruktiven Merkmale insbesondere nach der Laufradform, der Strömungsrichtung und der Aufstellungsart eingeteilt. Eine wichtige Größe zur Beschreibung des Verhaltens unterschiedlicher Laufräder ist die spezifische Drehzahl nq (Anmerkung: Im englischsprachigen Raum außer den USA wird die spezifische Drehzahl mit type number K bezeichnet, in den USA mit N). Die aus der Ähnlichkeitsmechanik übernommene Kennzahl ermöglicht den Vergleich von Laufrädern verschiedener Baugrößen bei unterschiedlichen Betriebsdaten (Q und H im Punkt des besten Wirkungsgrades sowie der Drehzahl des Laufrades), die Klassifizierung ihrer optimalen Bauform sowie der charakteristischen Form ihrer zugehörigen Kennlinien. Sie berechnet sich zu: Q n q = n opt [min -1 ] H ¾ opt (13) Bild 1.6 und Bild 1.7 verdeutlichen den Zusammenhang zwischen der spezifischen Drehzahl und der Bauform des Laufrades sowie deren zugehörigen charakteristischen Kennlinien. Die spezifische Drehzahl der im Abwassergeschäft eingesetzten Laufräder liegt zwischen n q ~ 45 bis 200 min -1. Dabei sind Laufräder mit n q ~ 45 bis 90 min -1 hauptsächlich für den Transport des Abwassers in und zur Kläranlage im Einsatz (z.b. Haupt - und Zwischenpumpstationen, Kläranlageneinlauf, Rücklaufchlamm bis hin zum Kläranlagenauslauf). Diesen gesamten Bereich decken Tauchmotorpumpen der Baureihe KRT mit unterschiedlichen Laufrädern ab. In der Belebung einer Kläranlage sind eher größere Fördermengen auf kleinere Förderhöhen gefragt (also Propellerräder mit n q ~ 160 bis 200 min -1 ). Weitere Einsatzgebiete von Propellerpumpen sind z.b. die Flusswasserentnahme, der Kühlwassertransport und der Hochwasserschutz. In Freizeitparks dienen sie auch als Umwälzpumpen für Fahrattraktionen. Hinweis: Zur Auslegung von Propellerpumpen und zur Planung der zugehörigen Einlaufbauwerke steht eine separate Druckschrift zur Verfügung (KSB Knowhow, Band 6, 0118.55 10/07: Planungshinweise für Rohrschachtpumpen Amacan. 11
1 Allgemeine Pumpenauswahl Hochdruckrad Mitteldruckrad Niederdruckrad Halbaxialrad Propellerrad n q bis 25 bis 40 bis 90 bis 160 140 bis 400 min -1 Bild 1.6: Laufräder und deren spezifische Drehzahl n q (1/min) Quelle: KSB Kreiselpumpen-Lexikon 300 H H opt 1 150 70 40 25 Betriebsgrenze bei kleiner Antriebsleistung großer Antriebsleistung P P opt 1 300 150 70 40 25 1 Q/Q opt 1 Q/Q opt ŋ ŋ opt NPSH NPSH opt 300 150 300 1 40 25 300 25 1 70 40 25 25 70 150 300 1 Q/Q opt 1 Q/Q opt Bild 1.7: Charakteristische Kennlinienverläufe von Kreiselpumpen bei verschiedenen spezifischen Drehzahlen. Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt (Quelle: KSB Auslegung von Kreiselpumpen). 12
Allgemeine Pumpenauswahl 1 1.6 Pumpenauswahl Die Pumpenauswahl wird maßgeblich bestimmt durch die Vorgabe der Betriebsbedingungen also die vom Auftraggeber an die Pumpen gestellten Forderungen nach bestimmten Betriebseigenschaften. Als Betriebsbedingungen verstehen sich in erster Linie die Angaben über das Fördermedium (z.b. Temperatur, Dichte, Viskosität, TS-Gehalt, Sandanteile oder andere Beimengungen), den erwarteten Förderstrom und die erforderliche Förderhöhe, das Saugverhalten und die Drehzahl der Kreiselpumpe. Darüber hinaus sind Angaben erforderlich zur Größe und den Anschlusswerten der Antriebe, die Fahrweise, die zu erwartende Schalthäufigkeit sowie anlagen- oder umweltseitige Einflüsse wie z.b. die maximal erlaubte Geräuschemission, zulässige Schwingungen, Kräfte in Rohrleitungen sowie potentielle Explosionsgefährdungen (Angaben zu den ATEX-Zonen). Tauchmotorpumpen der Baureihe KRT mit ihren abwasserspezifischen Laufradformen (Schneidrad, Freistromrad, Ein-, Zwei- und Dreikanalrad sowie offenes Einkanalrad) sind speziell auf die Anforderungen im Abwassertransport mit seinen speziellen Einsatzbedingungen und Fördermedienzusammensetzungen abgestimmt. Ausführliche Hinweise zum Einsatz der Laufräder mit Blick auf unterschiedliche Fördermedien sowie Einsatzgrenzen der Laufräder finden sich im Kapitel Maschinentechnik und Aufstellungsarten. 1.6.1 Kennlinien Kreiselpumpen liefern bei konstanter Drehzahl einen mit abnehmender Förderhöhe zunehmenden Förderstrom. Die Förderhöhe H über dem zugehörigen Förderstrom Q aufgetragen ergibt die Förderhöhenkennlinie, auch Q-H-Kennlinie genannt. Neben der Q-H-Kennlinie sind die ebenfalls vom Förderstrom abhängige - Wirkungsgradkennlinie, die NPSH R - oder NPSH 3% -Kennlinie und die Leistungsaufnahmekennlinie für jede Pumpe kennzeichnend. Alle genannten Kennlinien sind bei der Auswahl einer Pumpe zu berücksichtigen. Als Beispiel sind in Bild 1.8 die Kennlinien für eine Dreikanalradpumpe mit einer spezifischen Drehzahl n q ~ 80 min -1 dargestellt (Niederdruckrad). Alle Angaben der hydraulischen Daten sind nach gültiger Norm EN ISO 9906 erstellt und beziehen sich auf den Betrieb in reinem Wasser. Die charakteristischen Kurvenverläufe sind von der spezifischen Drehzahl abhängig (siehe dazu auch Bild 1.6). Man unterscheidet in flache und steil verlaufende Kurven. Bei einer steil verlaufenden Kurve ändert sich der Förderstrom bei gleicher Förderhöhendifferenz gegenüber der flachen Kurve nur geringfügig. Pumpen mit steiler Förderhöhencharakteristik haben Vorteile bei der Förderstromregelung. 13
1 Allgemeine Pumpenauswahl Baureihe-Größe Type-Size Modèle Projekt Project Projet Tipo Serie Tipo Progetto Projekt Proyecto Nenndrehzahl Nom. speed Vitesse nom. Angebots-Nr. Quotation No. N de l'offre Velocità di rotazione nom. Nominaal toerental Revoluciones nom. N offerta Offertenr. N oferta Laufrad-ø Impeller dia. Diamètre de roue Amarex KRT 300-400K 960 1/min 408 mm Pos.-Nr. Item No. N de pos. ø girante Waaier ø ø rodete N pos Pos. nr. N de art KSB Aktiengesellschaft Postfach 200743 06008 Halle (Saale) Turmstraße 92 06110 Halle (Saale) 0 2000 US.gpm 4000 6000 8000 28 0 2000 IM.gpm 4000 6000 90 Förderhöhe TDH Hauteur Prevalenza Opvoerhoogte Altura 20 m Qmin 85.2 η [%] ft 50 10 NPSH R 4 10 m 5 0 200 m³/h 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 100 l/s 200 300 400 500 ø408/a01 20 30 ft 20 2 100 10 % Eta 50 ø408/a01 0 53.5 Leistungsbedarf Power Input Puiss. abs. Potenza ass. Opgenomen vermogen Potencia nec. 52 kw 50 48 ø408/a01 70 hp 65 46.5 0 200 m³/h 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Fördermenge/Flow/Débit/Portata/Capaciteit/Caudal Laufradaustrittsbreite/Impeller outlet width/largeur à la sortie de la roue Luce della girante/waaier uittredebreedte/anchura de salida rodete 115 mm 115 mm Bild 1.8: Kennlinien für ein Dreikanalrad nq ~ 80 min-1 bei der Pumpendrehzahl n = 960 min-1 (Quelle: KSB Auslegungsprogramm). Aus Kurve K41819/5 gerechnet H331-Ha, Hahn Ralf, 2010-11-02 14
Allgemeine Pumpenauswahl 1 1.6.2 Pumpenkennlinie Als Pumpenkennlinie wird vordergründig die Förderhöhenkennlinie (Q-H-Kennlinie) betrachtet. Da keine Pumpe verlustfrei arbeitet, sind ausgehend von der zur Auslegung benutzten theoretischen oder auch verlustfreien Förderhöhenkennlinie die inneren hydraulischen Verluste einer Pumpe abzuziehen. Die inneren hydraulischen Verluste setzen sich zusammen aus den Reibungs- und den Stoßverlusten. Beide Verlustgrößen sind als Funktion des Förderstroms definierbar. Während die Reibungsverluste mit zunehmendem Förderstrom stetig steigen, vergrößern sich die Stoßverluste vom Auslegungsförderstrom der Pumpe (auch Q stoßfrei genannt) mit abnehmender bzw. steigender Fördermenge. In Bild 1.9 sind die hydraulischen Verluste als Verhältnisgrößen verdeutlicht. Die Wirkungsgradkennlinie (Q-η-Kennlinie) steigt vom Punkt Fördermenge Null bis zum Punkt Q η opt (~ Q stoßfrei ) auf einen maximalen Wert an und fällt danach wieder ab. Der Verlauf der Wirkungsgradkennlinie spiegelt die internen Verluste der Pumpe wider und zeigt an, in welchem Fördermengenbereich die Pumpe eingesetzt werden sollte, um möglichst energieeffizient zu arbeiten. In Bild 1.10 ist der Verlauf grafisch dargestellt. Bild 1.11 bzw. Bild 1.12 zeigen die Verläufe NPSH 3% bzw. den Leistungsbedarf P 2 an der Pumpenwelle. Während die NPSH 3% -Kennlinie das Saugvermögen der Pumpe ausweist (s.a. das Kapitel Der NPSH Wert ), ist die Kennlinie der Leistungsaufnahme zur Bemessung der erforderlichen Motornennleistung von Bedeutung. H Im Anhang vergrößert Q-H Kennlinie verlustfreie Kennlinie Reibverluste Stoßverluste Q eta,opt H eta,opt Punkt Q stoßfrei H Im Anhang vergrößert Q-H Kennlinie η Q eta,opt H eta,opt Punkt Q stoßfrei Q eta Kennlinie 1.6.3 Anlagenkennlinie Bild 1.9: Förderhöhenkennlinie und deren Verminderung um die inneren hydraulischen Verluste. Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt. H Im Anhang vergrößert Q Q-H Kennlinie Q eta,opt H eta,opt Punkt Q stoßfrei Q-NPSH 3% Kennlinie Bild 1.10: Wirkungsgradkennlinie =f ( Q ). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt. H Im Anhang vergrößert Q-H Kennlinie Q eta,opt H eta,opt Punkt Q stoßfrei Q-P2 Kennlinie Q p Die Anlagenkennlinie wird ebenfalls als Funktion des Förderstroms aufgetragen. Wie Bild 1.13 zeigt, besteht die Anlagenkennlinie aus einem konstanten statischen Anteil und einer quadratisch proportional vom Förderstrom abhängigen dynamischen Komponente (Anmerkung: Dies gilt nur bei Vernachlässigung der Abhängigkeit der Rohrreibung von der Reynolds-Zahl Re). Q Q Bild 1.11: NPSH 3% -Kennlinie, NPSH 3% = f (Q). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt. Bild 1.12: Aufgenommene elektrische Leistung P2 = f (Q). Darstellung in Verhältnisgrößen, bezogen auf den Bestpunkt. 15
1 Allgemeine Pumpenauswahl Bei Tauchmotorpumpen in Nassaufstellung ist der statische Förderhöhenanteil H geo die messbare Höhendifferenz zwischen saugseitigem und druckseitigem Wasserspiegel. Der dynamische Förderhöhenanteil setzt sich zusammen aus der Gesamtheit aller Druckverlusthöhen geplanter oder verbauter Armaturen, Formstücke und Rohrleitungen auf der Druckseite der Pumpe bis zum Auslauf in den druckseitigen Wasserspiegel. Im Abschnitt Die Förderhöhe wurden hierzu detaillierte Informationen vorgestellt. H Im Anhang vergrößert Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie H statisch oder H geo H dynamisch Q AP H AP Arbeitspunkt der Pumpe Bild 1.13: Anlagenkennlinie Summe aus statischem und dynamischem Förderhöhenanteil. 1.7 Zulässige Betriebsgrenzen für Pumpen Jede Kreiselpumpe hat empfohlene Einsatz- oder auch Betriebsgrenzen. Diese bezeichnen den Punkt, bis zu dem die Pumpe aus konstruktiven, anlagen- und antriebstechnischen Gründen maximal eingesetzt werden kann. Die Beachtung und Einhaltung dieser Grenzen ist eine wichtige Q Voraussetzung dafür, das die Pumpe ihre Förderaufgabe über den geplanten Einsatzzeitraum erfüllen kann. Im Folgenden werden die wichtigsten Einsatzoder auch Betriebsgrenzen diskutiert. 1.7.1 Betriebs- oder Arbeitspunkt Der Betriebs- oder Arbeitspunkt einer Pumpenanlage ergibt sich durch den Schnittpunkt (Bild 1.13) aus Anlagen- und Pumpenkennlinie (dem allgemeinen Sprachgebrauch folgend wird die Förderhöhenkennlinie der Pumpe verkürzt als Pumpenkennlinie bezeichnet). Durch ihn werden die sich einstellende Förderhöhe und der zugehörige Förderstrom bestimmt. Dementsprechend muss entweder die Anlagenkennlinie oder die Pumpenkennlinie verändert werden, soll der Betriebspunkt verändert werden. Konkretere Ausführungen dazu finden sich unten im Abschnitt Pumpenfahrweise. 1.7.2 Betriebsgrenzen Q min und Q max Das Betriebsverhalten einer Kreiselpumpe (hydraulische, mechanische und akustische Eigenschaften) wird wesentlich durch die Lage des Betriebs- oder Arbeitspunktes im Bezug auf den Punkt Q η opt bestimmt. Daher ist bei der Pumpenauswahl darauf zu achten, das der Arbeitspunkt wenn möglich in der Nähe des Bestpunktes (Q AP ca. 0,8 bis 1,2 x Q η opt ) liegt. Nicht nur die Energie und Unterhaltskosten sondern auch die hydraulischen Erregerkräfte sind in diesem Arbeitsbereich am geringsten. In der täglichen Praxis kann der Betrieb des Aggregates prozessbedingt abweichend im Teiloder Überlastbereich erforderlich sein. Je weiter der Arbeitspunkt vom Bestpunkt entfernt ist, desto ungünstiger wird die Anströmung der Laufradschaufeln und der Leiteinrichtung (Gehäuse). Wenn die Relativströmung der Schaufelkontur auf der Saugseite (Teillastbetrieb) bzw. auf der Druckseite (Überlastgebiet) nicht mehr folgen kann, bilden sich Strömungsablösungsgebiete, die die Energieübertragung an die Förderflüssigkeit zunehmend stören. Die hydraulische Kräfte (Radial- und Axialkräfte) steigen an, mechanische Schwingungen, Geräusche nicht zuletzt Kavitation nehmen rasch zu und sind die nach Außen hin wahrnehmbaren Erscheinungsbilder. Die Pumpenhersteller kennzeichnen durch Angabe 16
Allgemeine Pumpenauswahl 1 einer Q min und Q max Grenze (ohne Kennzeichnung ist das Ende der dargestellten Pumpenkennlinie die Q max Grenze) den zulässigen Dauerarbeitsbereich für ihre Pumpen. In der Regel wird ein zulässiger Arbeitsbereich von ca. 0,3 bis 1,4 x Q η opt angegeben. H H geo Q min Im Anhang vergrößert Q ηopt Bild 1.14: Betriebsgrenzen Q min und Q max Darstellung des zuläsigen Dauerbetriesbereiches der Kreiselpumpe (Q min ca. 0,3 * Q eta,opt und Q max ca. 1,4 * Q eta,opt ) Für Kreiselpumpen höherer spezifischer Drehzahl ab ca. nq= 140 1/min kann die Q min Grenze mit ca. 0,6 bis 0,7 x Q η opt deutlich höher liegen. Bei Betreiben der Aggregate außerhalb dieses zulässigen Betriebsbereiches ist mit erhöhter Belastung und entsprechend frühzeitigem Verschleiß von Pumpenbauteilen zu rechnen. Gewährleisungsansprüche an den Pumpenhersteller werden dafür ausgeschlossen. AP zulässiger Dauerbetriebsbereich Anlagenkennlinie Pumpenkennlinie Q max Q 1.7.3 Besonderheiten bei Abwassertransport Die Kreiselpumpe ist nur eine Komponente der gesamten Abwasseranlage. Sie kann nur dann betriebssicher arbeiten, wenn auch die peripheren Anlagensysteme, das zu fördernde Medium (Eigenschaften und Zusammensetzung), die Regelung und die Fahrweise mit den Eigenschaften der Kreiselpumpe bzw. deren Hydraulik abgestimmt sind. In diesem Zusammenhang sollte man sich vor Augen führen, das die gern gewählte Bezeichnung als verstopfungsfreie Hydraulik nicht zutreffend ist - es ist nur eine Frage der Belastung, bis jede Hydraulik verstopft. Der Terminus verstopfungsarme Hydraulik ist auf jeden Fall die bessere, weil realistischere Beschreibung. Aus dem Erfahrungsschatz von Praktikern sind im Folgenden einige Besonderheiten beim Abwassertransport zusammengestellt. Diese sollten bei der Planung einer Abwasseranlage bedacht werden, um eine hohe Betriebssicherheit ( verstopfungsarmer Betrieb ) zu erreichen. - Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes. Im Bereich Q ~ AP 0,8 bis 1,2 x Q liegt nicht η opt nur der energetisch günstigste Arbeitsbereich, sondern auch jener Bereich, in dem die im Fördermedium enthaltenen Beimengungen am schnellsten mitgefördert werden. In Bild 1.15 ist dieser Bereich gekennzeichnet. Speziell im Teillastbereich zwischen Q min und 0,8 x Q η op ist die Mitförderbarkeit von Beimengungen auf Grund der geringeren Fördermengen (geringere Durchflussgeschwindigkeiten) mehr oder minder stark eingeschränkt. Dauerhaftes Betreiben der Pumpen in diesem Bereich kann zu Verstopfungen im Laufradkanal oder zum Festbrennen im Radseitenraum führen. Diese Eigenschaft von Kreiselpumpen gewinnt an Bedeutung bei der Festlegung des Regel- und Fahrbereiches und der damit verbundenen Verschiebung des Arbeitspunktes. Als Stichworte sind zu nennen: Drehzahlregelung, Änderung der statischen Förderhöhe zwischen Ein- und Ausschaltwasserpegel im Pumpensumpf und Parallelarbeit. 17
1 Allgemeine Pumpenauswahl H H geo Q min Im Anhang vergrößert Q ηopt Anlagenkennlinie Bild 1.15: Bevorzugter bzw. optimaler Arbeitsbereich beim Abwassertransport. - Ausreichende Motorreserve vorsehen. Alle Herstellerangaben zu den hydraulischen Pumpendaten sind nach gültiger Norm EN ISO 9906 erstellt und beziehen sich auf den Betrieb in reinem Wasser. Kein Planer kann die tatsächlichen Abwassereigenschaften mit Sicherheit voraussagen; der Trend geht zu immer höheren Feststoff- und Faseranteilen im Abwasser. Die Betriebssicherheit sollte hier vor den Investitionskosten stehen (siehe empfohlene Reserve nach ISO 9908). - Auswahl des geeigneten Laufrads. Tauchmotorpumpen der Baureihe KRT mit ihren abwasserspezifischen Laufradformen (Schneidrad, Freistromrad, Ein-, Zwei- und Dreikanalrad sowie offenes Einkanalrad) sind speziell auf die Anforderungen beim Abwassertransport mit seinen speziellen Einsatzbedingungen und Fördermedien-Zusammensetzungen abgestimmt. Ausführliche Hinweise dazu finden sich im Kapitel Maschinentechnik und Aufstellungsarten. AP optimaler Arbeitsbereich zulässiger Dauerbetriebsbereich Pumpenkennlinie Q max Q - Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen und das Regelregime beim Betrieb mit Frequenzumformer. Zunehmend werden Pumpen heute über Frequenzumformer (FU) geregelt. Dies ist energetisch vorteilhaft und eröffnet die Möglichkeit kontinuierlicher klärtechnischer Prozesse. Die Regelbereiche selbst sind im Allgemeinen nicht von den konstruktiven und maschinentechnischen Eigenschaften der Pumpe oder der Antriebe abhängig, sondern unter Berücksichtigung der minimalen Mitfördergeschwindigkeit für Feststoffe und Fasern stets individuell festzulegen. Einschlägige Erfahrungen zeigen, dass in vertikalen Druckrohrleitungen die Fließgeschwindigkeit des Abwassers nicht unter 2 m/s liegen sollte, bei horizontalen Leitungen genügen meist Werte größer 1 m/s. Es muss sichergestellt sein, das Beimengungen vollständig aus der Pumpe und der Druckrohrleitung ausgetragen werden, auch bei niedriger Drehzahl! Die Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser des Laufrades D 2 von Abwasserlaufrädern sollte nicht unter 15 m/s liegen. Eine Kreiselpumpe ist grundsätzlich mit der kürzesten Anfahrrampe, also schnell auf eine möglichst hohe Drehzahl hochzufahren. Erst danach ist auf den gewünschten Betriebspunkt herunterzuregeln. Eigenfrequenzbereiche der Anlage (Fundament / Pumpe / Rohrleitung) sind am FU entsprechend auszublenden und dürfen nicht dauerhaft gefahren werden. Bei Parallelbetrieb sind alle Pumpen möglichst mit der gleichen Frequenz zu betreiben, um ein Abdrücken einzelner Aggregate in den nicht zugelassenen Teillastbereich zu vermeiden. Die Rückschlagklappen müssen in jedem Betriebspunkt der Pumpe voll öffnen, um wenig Angriffsfläche für Beimengungen zu bieten und Verstopfungen vorzubeugen. - Zuströmbedingungen und Bauwerksgestaltung. Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb der Pumpen und das Erreichen der vertraglich vereinbarten Förderleistungsdaten sind hydraulisch optimierte Zuströmbedingungen (im Kapitel Bauwerksgestaltung ausführlich erläutert). Bei Tauchmotorpumpen der Baureihe Amarex KRT sichern relativ kleine Schächte mit Schrägen am Schachtboden eine kontinuierliche Schmutzfrachtzuführung. Das vermeidet bei relativ kleinen Schaltintervallen eine Konzentration von Ablagerungen und die Schächte bleiben sauber. 18
Allgemeine Pumpenauswahl 1 1.8 Pumpenfahrweise Die Pumpenfahrweise ist von vielen Faktoren abhängig. Eine Änderung des Betriebspunktes ist durch Veränderung des Laufraddurchmessers, Drehzahlverstellung oder durch Parallel- oder Serienbetrieb möglich. Nicht zu vergessen sind dabei anlagentechnische Randbedingungen wie Einstauhöhen, Zulaufbedingungen, NPSH-Wert der Anlage und nicht zuletzt die Fördermedieneigenschaften wie Zusammensetzung, Dichte und Viskosität, Temperatur usw. Darauf wird in den nachfolgenden Abschnitten näher eingegangen. H H geo,max H geo,min Q min Im Anhang vergrößert AP (aus) AP (ein) Anlagenkennlinie bei Ausschaltpegel Anlagenkennlinie bei Einschaltpegel Bild 1.16: Veränderung des Arbeitspunktes der Pumpe bei starrer Drehzahl und Variation der statischen Förderhöhe zwischen saugseitigem Ein- und Ausschaltwasserpegel. Q ηopt Pumpenkennlinie Q 1.8.1 Einzelbetrieb Die Veränderung der Anlagenkennlinie kann durch Variation des statischen Förderhöhenanteils erfolgen. Ausschlaggebend dafür kann, wie in Bild 1.16 dargestellt, eine Änderung der geodätischen Höhe des Wasserspiegels im Saugraum sein. Der Arbeitsbereich der Pumpe bewegt sich auf der Q-H-Kennlinie zwischen den beiden Arbeitspunkten Pumpe ein und Pumpe aus. Hinweis: Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes, also des optimalen Arbeitsbereichs beachten. 1.8.2 Drosselregelung Es bestehen zwei grundsätzliche Möglichkeiten, die Anlagenkennlinie zu verändern. So können zum einen die Strömungswiderstände innerhalb der Rohrleitung erhöht oder verringert werden. Dies geschieht entweder gezielt durch Verstellen eines Drosselorgans, das Benutzen eines anderen Förderweges (andere Rohrleitungsnennweiten und -längen) oder ungeplant durch Ablagerungen, Korrosion oder Verkrustungen. Beim Abschiebern oder Drosseln einer Kreiselpumpe wird bewusst bereits aufgebrachte und in Förderhöhe umgewandelte Energie vernichtet (korrekt: nicht nutzbar vergeudet). Dies ist energetisch gesehen die schlechteste Regelmöglichkeit und zudem im Abwasserbereich zu vermeiden (abgesehen von An- und Abfahrvorgängen), um kein erhöhtes Verstopfungsrisiko in bzw. hinter diesen Armaturen zu provozieren. H H geo Q min Im Anhang vergrößert AP3 Drosselkurve 3 AP2 Bild 1.17: Veränderung des Arbeits-punktes der Pumpe bei Veränderung der Druckverluste in der Förderleitung wie z.b. Änderung der Rohrleitungsnennweite, Änderung des Förderweges bzw. der -länge oder Ablagerungen und Verkrustungen in der Rohrleitung. AP1 Q ηopt Drosselkurve 2 Anlagenkennlinie 1 Pumpenkennlinie Q 19
1 Allgemeine Pumpenauswahl 1.8.3 Anpassung des Laufrad- Durchmessers Eine relativ einfache und hydraulisch sehr wirksame (allerdings unumkehrbare) Maßnahme, um bei unveränderter Drehzahl den Förderstrom und die Förderhöhe gleichzeitig zu reduzieren, ist das Anpassen des Laufraddurchmessers D 2 durch Ab- oder Ausdrehen (Bild 1.18). Da sich durch diese Maßnahme die Schaufellänge, die Schaufelaustrittsbreite und der Schaufelaustrittswinkel ändern, ist die Wirkung - d.h. die Änderung der Fördermenge, Förderhöhe und des Wirkungsgrades - je nach Bauart des Laufrades (spezifische Drehzahl nq) unterschiedlich. In grober Näherung kann man sagen: Je kleiner die spezifische Drehzahl nq ist, um so stärker kann abgedreht werden, ohne mit größeren Wirkungsgradeinbußen rechnen zu müssen. Pumpenhersteller geben in den Dokumentationsunterlagen / Kennlinienheften den möglichen Abdrehbereich ihrer Laufräder als Abdrehraster zur Einsicht. In diesen Grenzen kann der Zusammenhang zwischen Laufraddurchmesser, Fördermenge und Förderhöhe durch Gl. (14) wiedergegeben werden: H H geo Q min Q 2T Q 2max Im Anhang vergrößert Bild 1.18: Trimmen oder Anpassen des Laufraddurchmessers auf den gewünschten Arbeitspunkt der Pumpe. H 2T = = H 2max 2 D ( 2T D 2max ) Die zusammengehörigen Wertepaare für Q und H liegen dabei auf einer gedachten Gerade durch den Ursprung des Q-H- Koordinatensystems (Bild 1.18). Der neue Arbeitspunkt des Aggregates ist der sich einstellende Schnittpunkt der im Durchmesser (Trimmdurchmesser) reduzierten Pumpenkennlinie und der unveränderten Anlagenkennlinie. Hinweis: Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes, also des optimalen Arbeitsbereichs beachten; die Umfangsgeschwindigkeit am Laufradaustritt sollte nach Möglichkeit ca. 15 m/s nicht unterschreiten. AP Q ηopt D 2min Anlagenkennlinie D 2max Trimmdurchmesser D 2T Q (14) 1.8.4 Drehzahlregelung Eine drehzahlgeregelte Kreiselpumpe erzeugt stets nur die Fördermenge / Förderhöhe, die tatsächlich benötigt wird. Damit ist dies die hinsichtlich des Energieverbrauches rationellste und in Bezug auf die Belastung der Pumpenbauteile schonendste Möglichkeit der Regelung. Zudem werden bei Drehzahlreduzierung auf der Zulaufseite weitere Sicherheiten gegenüber dem NPSH-Wert der Anlage geschaffen. Den Zusammenhang zwischen Drehzahl, Fördermenge und Förderhöhe gibt das Affinitätsgesetz - ein Spezialfall der Modellgesetze für Kreiselpumpen unter der Bedingung unveränderter Dichte und konstantem Pumpenwirkungsgrad wieder: Q 1 n = 1 Q 2 H 1 n 2 2 ( ) n = 1 H 2 P 1 n 2 3 ( ) n = 1 P 2 n 2 (15) 20
Allgemeine Pumpenauswahl 1 H H geo Q min Im Anhang vergrößert Bild 1.19: Veränderung des Arbeitspunktes einer Kreiselpumpe bei Variation der Drehzahl. AP3 Die zusammengehörigen Wertepaare für Q und H liegen dabei auf einer gedachten Parabel durch den Ursprung des Q-H- Koordinatensystems, in Bild 1.19 strichpunktiert eingetragen. Der neue Arbeitspunkt des Aggregates ist der sich einstellende Schnittpunkt zwischen der in der Drehzahl reduzierten Pumpenkennlinie und der unveränderten Anlagenkennlinie. Bei einer Anlagenkennlinie mit geringem statischem Anteil bleibt der neue Arbeitspunkt in der Nähe des Bestpunktes. Je größer der statische Anteil der Anlagenkennlinie ist, desto mehr gerät die Pumpe bei Drehzahlreduzierung zu kleinen Fördermengen in das Gebiet schlechter Teillastwirkungsgrade und bei Drehzahlerhöhung in Richtung schlechter Überlastwirkungsgrade. Q ηopt AP2 AP1 n3 Anlagenkennlinie Pumpenkennlinie n2 n1 Q Hinweis: Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes, also des optimalen Arbeitsbereichs beachten; die Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen bei Regel- Regime mit Frequenzumformerbetrieb beachten; die Umfangsgeschwindigkeit am Laufradaustritt sollte nach Möglichkeit ca. 15 m/s nicht unterschritten werden; ausreichende Motorreserve bei Frequenzumformerbetrieb vorsehen. 1.9 Parallelbetrieb identischer Baugrößen Der Parallelbetrieb von zwei oder mehreren Kreiselpumpen auf eine gemeinsame Förderleitung / Sammelleitung bietet sich besonders bei flach verlaufenden Anlagenkennlinien an. Je geringer der vom Förderstrom quadratisch proportional abhängige dynamische Förderhöhenanteil der Anlagenkennlinie ist, desto größer ist die erreichbare Steigerung der Fördermenge. Die Zusammenhänge gehen aus Bild 1.20 hervor. Die Gesamtfördermenge setzt sich bei identischen Aggregaten zu gleichen Teilen aus den zur Förderhöhe gehörenden Förderströmen der Einzelpumpen zusammen. Die Förderhöhe der Einzelpumpen muss dabei um den dynamischen Anteil der Förderhöhenverluste der Einzelleitung bis zur Einbindung in die Sammelleitung erhöht werden. Die Anlagenkennlinie der Sammelleitung enthält nur die Förderhöhenverluste ab der Vereinigungsstelle der Einzelleitungen. Hinweis: Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes, also des optimalen Arbeitsbereichs beachten; Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen beachten; bei Auslegung der Pumpstation für Parallelbetrieb zweier oder mehrerer identischer Aggregate muss unter Umständen der Einzelbetrieb eines Aggregates auf die Sammelleitung ausgeschlossen werden - dieser Fall tritt ein, wenn kein zulässiger Arbeitspunkt als Schnittpunkt zwischen Anlagen- und Einzelpumpenkennlinie erreicht werden kann. H H geo Q min Im Anhang vergrößert um Einzelleitungsverluste reduzierte Pumpenkennlinie Q ηopt Anlagenkennlinie Sammelleitung AP Agg1 & Agg2 reduzierte Agg1 oder 2 Kurven Förderhöhenverluste Einzelleitungen Agg1 bzw. Agg2 Bild 1.20: Parallelbetrieb von zwei identischen Kreiselpumpen. Die Einzelstrangverluste (Druckverluste bis zur Einbindung in die Sammelleitung) sind in der reduzierten Pumpenkennlinie berücksichtigt. Q 21
1 Allgemeine Pumpenauswahl 1.10 Parallelbetrieb unterschiedlicher Baugrößen Der Parallelbetrieb von zwei oder mehreren Kreiselpumpen unterschiedlicher Baugröße ist prinzipiell analog dem Parallelbetrieb identische Baugrößen zu sehen (Bild 1.21). Sie arbeiten genau dann problemlos zusammen, wenn es sich um Aggregate mit stabilen Q-H- Kennlinien handelt (Null- Förderhöhe ist größer als die Förderhöhe im Punkt Q min ), die möglichst die gleiche Nullförderhöhe haben. Die Gesamtfördermenge setzt sich aus dem zur Förderhöhe entsprechend gehörenden Förderstromanteilen der Einzelpumpen zusammen. Die Förderhöhe der Einzelpumpen muss dabei um den dynamischen Anteil der Förderhöhenverluste der Einzelleitung bis zur Einbindung in die Sammelleitung erhöht werden. Die Anlagenkennlinie der Sammelleitung enthält nur die Förderhöhenverluste ab der Vereinigungsstelle der Einzelleitungen. Hinweis: Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes, also des optimalen Arbeitsbereichs beachten. Das Aggregat mit der kleineren Nullförderhöhe kann sehr schnell zu kleinen Fördermengen abgedrängt werden, wenn die Gesamtförderhöhe sich ändert (H geo max, Drosselung usw.); Strömungsgeschwindigkeiten in den Einzelrohrleitungen beachten; bei Auslegung der Pumpstation für Parallelbetrieb zweier oder mehrerer unterschiedlicher Aggregate muss unter Umständen der Einzelbetrieb eines Aggregates auf die Sammelleitung ausgeschlossen werden - dieser Fall tritt ein, wenn kein zulässiger Arbeitspunkt als Schnittpunkt zwischen Anlagenund Einzelpumpenkennlinie erreicht werden kann. H H geo Q min Q ηopt Im Anhang vergrößert Agg2 um Einzelleitungsverluste reduzierte Pumpenkennlinie Bild 1.21: Parallelbetrieb von zwei unterschiedlichen Kreiselpumpen. Die Einzelstrangverluste (Druckverluste bis zur Einbindung in die Sammelleitung) sind in der reduzierten Pumpenkennlinie berücksichtigt. 1.11 Reihenschaltung Anlagenkennlinie Sammelleitung AP Agg1 & Agg2 Agg1 reduzierte Kurven Förderhöhenverluste Einzelleitungen Agg1 bzw. Agg2 Der Reihenbetrieb (Hintereinanderschaltung) von zwei identischen Kreiselpumpen auf eine gemeinsame Förderleitung bietet sich besonders bei steil verlaufenden Anlagenkennlinien Q an. In Kombination mit flach verlaufenden Pumpenkennlinien ändert sich auch bei größeren Förderhöhenschwankungen (z.b. Änderung des statischen Förderhöhenanteils Hgeo) die sich einstellende Fördermenge nur in engen Grenzen. Die Gesamtförderhöhe setzt sich aus den zur Fördermenge entsprechend gehörenden Förderhöhenanteilen der Einzelpumpen zusammen. Die Zusammenhänge sind in Bild 1.22 dargestellt. Beim Abwassertransport findet diese Fahrweise nur in den seltensten Fällen Anwendung. Hinweis: Betriebspunkt in der Nähe des Bestpunktes, also des optimalen Arbeitsbereichs beachten; Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen beachten; das zweite Aggregat in Strömungsrichtung muss nicht nur für die Druckerhöhung, sondern auch für den Vordruck aus dem ersten Aggregat geeignet sein; Gehäusefestigkeit / Druckstufe der Gehäuse beachten. H H geo Q min Im Anhang vergrößert Agg1 & Agg2 Bild 1.22: Reihenschaltung von zwei identischen Kreiselpumpen. Q ηopt AP Anlagenkennlinie Agg1 bzw. Agg2 Q 22