Technik, die Zeichen setzt

Die bedarfsgerechte Fahrweise von Pumpen - Energieeffizienzsteigerung durch Drehzahlregelung

Inhalt 1. Einleitung 2. Analyse des Systems 3. Die bedarfsgerechte Fahrweise 3.1 Grundlagen Drehzahlregelung 3.2 PumpDrive pumpenspezifischer Frequenzumrichter 4. FAZIT 5. Best practice 3

elektromagnetisch 19 % elektrolytisch 4 % elektronisch 4 % elektromechanisch 49 % 510 Kompressoren Elektrischer Energieverbrauch EU-27 nach Art der Umwandlung in TWh Summe 2.780 300 Pumpen elektrothermisch 24 % Motore n 1.360 270 280 Lüfter Servoantriebe Quelle Diagramm: Study for an update of the Ecodesign Working PlanAmended Ecodesign Working Plan for the European Commission, Brüssel/Delft, 18. Februar 2011 4

Total Cost of Ownership Laufradverschleiß Austauschwirbel Standzeit [%] 100 TCO Service (Verfügbarkeit / Sicherheit) Förderhöhe [%] Überhitzung Kavitation Kurze Lebensdauer von Lager & GLRD Typische Wirkungsgradkurve Teillastwirbel Gut: -20%..+10% Normal: -30%..+15% Ideal = -10%..+5% des BEP Kurze Lebensdauer von Lager & GLRD Kennlinie Kavitation 10 Reduzierung der Gesamtkosten bedeutet auch: Nutzung des Verfügbarkeitspotenzials der Komponenten Sicherstellung des normalen Betriebs = Verlängerung der Standzeiten = Kosteneinsparung Fördermenge [%] Source: Paul Barringer, Barringer & Associates,Inc. 5

Total Cost of Ownership (typische Aufschlüsselung über 10 Jahre) KSB-Ziele Andere Service Investition 30 % 16 % 20 % 34 % Energie Industriepumpen (mittlerer Größe) ähneln einem neuen Klein- bis Mittelklassewagen mit einem Dieselmotor niedriger Leistung, der häufig für lange Strecken eingesetzt wird. Reduzierung der Gesamtkosten (Total Cost of Ownership - TCO) Energieverbrauch und Serviceaufwendungen sind die wichtigsten Kostenfaktoren Energieeinsparung = Kosteneinsparung Verlängerung der Standzeit = Kosteneinsparung 6

Betriebspunkt Betriebsstunden in h Nur wenige Pumpen werden im Optimum betrieben Nur wenige Motoren werden im Nennpunkt betrieben Quelle: Forschungsprojekt ReMain, 65 Pumpen, 21.05. 10.06.2009 7

System bis zu 60 % Rohrleitungsauslegung Vermeidung von Reibungsverlusten Bedarfsgerechte Fahrweise SES System Effizienz Service PumpMeter Energiesparpotenziale Module Laufradanpassung bis zu 20 % Vermeidung von Sicherheitszuschlägen Vereinheitlichung aller Komponenten Komponenten ca. 10 % Optimierung einzelner Effizienzfaktoren (z. B. IE4 KSB SuPremE -Motoren) 8

Systemgrenze F ö r d e r h ö he Systemgrenzen 1 6 4 Anteil Betriebszeit Anlagenkennlinie Betriebspunkt D u r c h f l u ss 1. Lastprofil / Anlage 2. Pumpe 3. Antrieb 5 4. Rohrleitung 2 3 Durchmesser Aufweitung 5. Kompensator 6. Absperr-/Regelarmatur 6 5 4 10

Systemanalyse Möglichkeiten der Systemanalyse Schäden an Pumpen Reparaturkosten Korrektive Instandhaltung Energie- und Instandhaltungskosten Präventive Instandhaltung Außerdem: Lastgangmessung Bedarfsmessung in der Planungsphase Schadensanalyse Energieeffizienzanalyse 11

Aufgaben der bedarfsgerechten Fahrweise Typische Regelgrößen: Druck / Differenzdruck Durchfluss Temperatur Sicherstellung der Prozessgüte Ausschöpfen des Energieeinsparpotenzials im Vergleich zur konventionellen Installation Sicherstellung des bestimmungsgemäßen Betriebs aller Komponenten und Ausschöpfen des Verfügbarkeitspotenzials der Komponenten 13

Regelgrößen für hydraulische Kreisläufe Regelgrößen für geschlossene hydraulische Kreisläufe: Differenzdruck Temperatur Regelgrößen für offene hydraulische Kreisläufe: Druck Füllstand Förderstrom 14

Lastprofil t/t ges 100% Vollastprofil t/t ges 100% Mischbetrieb t/t ges 100% Teillastbetrieb Bedarfsgerechte Fahrweise H H Geodätische Höhe hoch mittel Q 100% Q/Q opt Drosselregelung 100% Q/Q opt Drehzahlgeregelte Doppelpumpe 100% Q/Q opt Drehzahlgeregelte Mehrpumpenanlage Ausgehend vom Lastprofil und der geodätischen Höhe sind für die Systemauslegung folgende Parameter ausschlaggebend: geregelt / ungeregelt Einpumpen- / Mehrpumpensystem H niedrig Q Drehzahlgeregelte Einzelpumpe Drehzahlgeregelte Einzelpumpe Drehzahlgeregelte Doppelpumpe Q 19

Lastprofil Vollastbetrieb Mischbetrieb Teillastbetrieb t Q t Q t Q Systemauslegung* 90 % 100 % 50 % 100 % 10 % 100 % H Geo /H max 10 % 30 % 50 % 30 % 90 % 30 % 0-40 % Einzelantrieb mit Drehzahlregelung Einzelantrieb mit Drehzahlregelung Einzelantrieb mit Drehzahlregelung 40 70 % Einzelantrieb mit Drehzahlregelung / Drosselsteuerung 1 2 Pumpen mit Drehzahlregelung 2 Pumpen mit Drehzahlregelung 70 100 % Einzelantrieb mit Drosselsteuerung 2 Pumpen mit Drehzahlregelung 2 3 Pumpen mit Drehzahlregelung Anwendungsbeispiele Hochdruckkesselpumpen Druckerhöhungsanlagen Heizungskreisläufe Quelle: Sachstandsbericht des FVA, FVA-Nr. 673, Auswahl elektrische Antriebe, J. Schützhold, K. Benath, 08.03.2013 *unter bestimmten Randbedingungen 20

Q 2 Q 1 n 2 n 1 Förderstromanpassung durch Drehzahlverstellung Berechnung des Förderstroms H 2 H 1 Berechnung der Förderhöhe P 2 P 1 n 2 n 1 n 2 n 1 2 3 Ziel: Erzeugen nur der für den gewünschten Betriebspunkt der Pumpe erforderlichen Förderhöhe Stetige Anpassung der Pumpenleistung an die Anlagenerfordernisse durch stufenlose Drehzahlregelung Affinitätsgesetze aus der Ähnlichkeitsmechanik: Förderstrom Förderhöhe Leistungsaufnahme Quadratische Zunahme der Förderhöhe der Pumpe bei linearem Förderstrom und linear steigender Drehzahl Berechnung der Leistungsaufnahme 22

Förderhöhe Beispiel Normpumpe, Drehzahl 2900 min -1 30 Lastprofilanalyse Durchfluss 25 Lastprofil mit einem Betriebspunkt Anteil Betriebszeit Anlagenkennlinie Betriebspunkt Geodätische Höhe Geschwindigkeitshöhe Druckhöhe Wirkungsgrad Förderhöhe [m] 20 15 10 5 0 Betriebspunkt 70 % 74 % 77 % 77 % 59 % 39 % 10 20 30 40 50 60 70 80 Q [m 3 /h] Auslegung in Q opt Ggf. Laufradanpassung Kein Frequenzumrichter erforderlich, drehzahlstarr Optimierung der Anlagenkennlinie durch Berücksichtigung der Einbauten und Rohrleitung 23

Förderhöhe Beispiel Normpumpe, Drehzahl 2900 min -1 30 Lastprofilanalyse Durchfluss 25 Betriebspunkt 2 Lastprofil mit zwei oder mehreren Betriebspunkten Förderhöhe Durchfluss Förderhöhe [m] 20 15 10 Betriebspunkt 1 Systemstruktur: Ein- oder Mehrpumpensystem Optimierung der Anlagenkennlinie durch Berücksichtigung der Einbauten und Rohrleitung Anteil Betriebszeit Anlagenkennlinie Betriebspunkt Geodätische Höhe Geschwindigkeitshöhe Druckhöhe Wirkungsgrad 5 0 39 % 59 % 70 % 74 % 77 % 77 % 10 20 30 40 50 60 70 80 Q [m 3 /h] Nutzung eines Frequenzumrichters Nutzung eines Motors mit hoher Teillasteffizienz 24

Förderhöhe Beispiel Normpumpe, Drehzahl 2900 min -1 30 Lastprofilanalyse Durchfluss 25 Betriebspunkt 2, n const Lastprofil mit zwei oder mehreren Betriebspunkten Förderhöhe Anteil Betriebszeit Anlagenkennlinie Betriebspunkt Förderhöhe Pumpe Anlagenkennlinie 1 Durchfluss Förderhöhe [m] 20 15 10 5 Einsparpotenzial bei verteiltem Lastprofil Betriebspunkt 2, n var 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Q [m 3 /h] Betriebspunkt 1 Systemstruktur: Ein- oder Mehrpumpensystem Nutzung eines Frequenzumrichters Auslegung auf Q opt mit Anlagenkennlinie 1 Drehzahlregelung entlang der Anlagenkennlinie 1 bis zum 2. Betriebspunkt Flächendifferenz ist ein Maß für das Einsparpotenzial 25

H [%] 160 140 120 100 80 60 Pumpenkennlinie Anlagenkennlinie (Teillast) B 2 Förderhöhenüberschuss Eindrosseln B 1 Anlagenkennlinie (Volllast) Förderstromanpassung durch Drosselung 40 20 Förderhöhenbedarf 0 20 40 60 80 100 Q [%] P W [%] 120 100 Leistungseinsparung 80 60 P W1 P W2 40 20 0 20 40 60 80 100 Q [%] Diagramme: Pumpen- und Leistungskennlinie Schema der Drosselregelung Einbau einer Drosselarmatur in die Anlage Beeinflussung der Anlagenkennlinie durch gezieltes Verändern des Anlagenwiderstands Pumpenbetrieb bei konstanter Drehzahl Geringe Leistungseinsparung im Vergleich zum Volllastbetrieb! 26

H [%] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 B 2 70 % 60 % 50 % Förderhöhenbedarf Anlagenkennlinie (Volllast) 20 40 60 80 100 Q [%] B 1 80 % 90 % n = 100 % Förderstromanpassung durch Drehzahlregelung Ziel ist das Erzeugen der für den gewünschten Betriebspunkt erforderlichen Förderhöhe P W [%] 100 80 60 40 20 0 Leistungseinsparung P 2 60 % 50 % 70 % 80 % 90 % n = 100 % 20 40 60 80 100 Q [%] Diagramme: Pumpen- und Leistungskennlinie P 1 Mit Reduzierung der Fördermenge durch Verringern der Antriebsdrehzahl wandert der Betriebspunkt entlang der Anlagenkennlinie von B1 nach B2 Es ist eine Leistungseinsparung von bis zu 60% erreichbar! 27

Drosselregelung Drehzahlregelung Q Q Vergleich der beiden Regelungsarten P M ~ ~ M H Anlagenkennlinie H Anlagenkennlinie Einsparpotential P Pumpen Kennlinie P Pumpen Kennlinie Q 2 Q 1 Q Q 2 Q 1 Q Drosselregelung Drehzahlregelung 28

Regelgüte Energieeffiziente Fahrweise Sicherstellung des bestimmungsgemäßen Betriebs Vergleich Regelung M Bypass hohe Dynamik kleine Abweichungen zentral (LS) nicht energieeffizient teilweise (z.b. hydraulische Blockade) Die Regelung muss folgende Kriterien optimal erfüllen: Regelgüte M Drossel hohe Dynamik kleine Abweichungen zentral (LS) energieeffizient abh. von der Konfiguration teilweise (z.b. Überlast) Energieeffizienz Sicherstellung des bestimmungsgemäßen Betriebs aller Komponenten (Pumpe, Antrieb) M Drehzahl (Rückschlagklappe) hohe Dynamik erreichbar kleine Abweichungen dezentral bis zu 60% Einsparpotenzial im Vergleich teilweise (z.b. Trockenlauf, hydraulische Blockade) 29

Vergleich Regelung M Bypass M Drossel M t/t ges Vollastprofil 100% 100% t/t ges 100% Teillastbetrieb Q/Q opt t/t ges 100% Mischbetrieb Regelung sichert eine bedarfsgerechte Fahrweise abhängig vom Lastprofil Pumpenschutzfunktionen müssen realisiert werden (TCO) Pumpenspezifische Umrichter notwendig DFS-Funktion Ansteuerverfahren Energieeffiziente Mehrpumpenregelung Drehzahl (Rückschlagklappe) 100% Q/Q opt 100% Q/Q opt 30

Energieeffizienz Immer am optimalen Betriebspunkt mit dem neuen PumpDrive kontinierliche Messungen kontinuierliche Berechnungen verbesserte Pumpenfunktionen Er sichert das Optimum bei jedem Bedarf und zu jeder Zeit 32

Hocheffizientes Aggregat PumpDrive mit KSB SuPremE -Motor und PumpMeter Damit erreichen Pumpen höchste Einsparungen: PumpDrive und PumpMeter sind optimal auf die Pumpe eingestellt und regeln diese optimal auf den gewünschten Betriebspunkt. Ein vorkonfektioniertes Kabel verbindet die Komponenten und ermöglicht eine problemlose Initialisierung vor Ort Mit einer speziellen Steckverbindung wird der PumpDrive auf dem SuPremE -Motor befestigt. Das Motoransteuerungsverfahren ermöglicht die optimale Ansteuerung und Regelung von Asynchron- oder auch Synchron-Reluktanzmotoren. 33

Integrierter Mehrpumpenbetrieb Beim Parallelbetrieb von bis zu sechs Pumpen (über vorkonfektionierte M12-Kabel verbunden) schalten die PumpDrive die Pumpen, je nach benötigtem Betriebspunkt zu oder ab. 34

H(%) Synchrone Fahrweise im Parallelbetrieb 160 140 120 100 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Q(%) Die erste Pumpe startet drehzahlgeregelt Bei 100% wird die Pumpe mit der geringsten Laufzeit drehzahlgeregelt eingeschaltet zeitgleich wird die laufende Pumpe in ihrer Leistung abgesenkt (Druckstoßvermeidung) bis beide Pumpen mit synchroner Drehzahl fahren Danach regeln beide Pumpen synchron mit gleicher Drehzahl parallel bis zur nächsten Schaltgrenze 35

H(%) Synchrone Fahrweise im Parallelbetrieb 160 140 120 100 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Q(%) Die erste Pumpe startet drehzahlgeregelt Bei 100% wird die Pumpe mit der geringsten Laufzeit drehzahlgeregelt eingeschaltet zeitgleich wird die laufende Pumpe in ihrer Leistung abgesenkt (Druckstoßvermeidung) bis beide Pumpen mit synchroner Drehzahl fahren Danach regeln beide Pumpen synchron mit gleicher Drehzahl parallel bis zur nächsten Schaltgrenze 42

DFS-Funktion Mit der DFS-Funktion (Differenzdruckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung) gleicht der neue PumpDrive in Abhängigkeit vom Förderstrom die Reibungsverluste in der Rohrleitung aus. 43

Die DFS-Funktion Rohrleitungsverluste = f(h v,q) 0,5 bar P H v Sollwert 4 bar Q = 0 % P = 4 bar Q= 100 % P = 3 bar 0,5 bar DFS = Differenzdruckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung 44

Die DFS-Funktion Rohrleitungsverluste = f(h v,q) 0,5 bar P H v Sollwert 5 bar Q = 0 % P = 5 bar Q= 100 % P = 4 bar 0,5 bar DFS = Differenzdruckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung 45

46 4 6 Die DFS-Funktion Rohrleitungsverluste = f(h v,q) 0,5 bar P H v 1 bar Sollwert 4 bar Q = 0 % P = 4 bar Q= 100 % P = 4 bar 0,5 bar DFS = Differenzdruckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung

Förderhöhe [m] 30 20 Energiebedarf bei Konstantdruckregelung 10 0 Leistungsbedarf [kw] 20 10 0 100 200 300 40 500 Förderstrom [m³/h] 47

Förderhöhe [m] 30 20 Energiebedarf mit DFS-Regelung 10 Leistungsbedarf [kw] 20 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Förderstrom [m³/h] 48

Vollständige Transparenz für mehr Sicherheit Der neue PumpDrive erfasst und verarbeitet kontinuierlich Werte und Daten der Pumpe. So überwacht er immer den zulässigen Betriebsbereich, sichert den Pumpenbetrieb und garantiert damit die Verfügbarkeit der Anlage. 49

Kennfeldüberwachung PumpDrive überwacht das Kennfeld schätzt den Betriebspunkt aus der aktuellen Drehzahl und der Leistungsaufnahme des Motors erkennt, wenn die Pumpe in unzulässige Bereiche kommt, wie extreme Teillast, Trockenlauf oder Überlast gibt Meldungen aus mittels vordefinierter Einstellungen 50

Förderstromschätzung PumpDrive schätzt kontinuierlich den Förderstrom aus der Messung der Motorleistung oder des Differenzdruckes und der Kennlinie verwendet den Förderstrom z. B. in der DFS 51

Funktionspaket für Abwasseranwendungen Spezielle Funktionen zur gezielten Drehzahlregelung gehören zum Funktionspaket Abwasser des neuen PumpDrive: Start der Abwasserpumpe mit Maximaldrehzahl Verschmutzungsprophylaxe: bei Unterschreitung der Mindestfließgeschwindigkeit leitet PumpDrive eine Spülfunktion ein, so dass sich Schmutz nicht ablagern kann. 52

Volle Redundanz durch Doppelpumpenmanagement Mit dem integrierten Doppelpumpenmanagement ist der Sollwert des Systems durch zwei baugleiche Pumpen jederzeit sichergestellt: der Sollwert wird bei Nennbetrieb einer Pumpe erreicht (1 x 100 %) der Sollwert wird bei Nennbetrieb beider Pumpen erreicht (2 x 50 %) 53

Immer am richtigen Platz Motormontage Wandmontage Motormontage: bis 55 kw Wandmontage Schaltschrankmontage für Leistungsbereiche bis 1,4 MW Schaltschrankmontage 54

Funktionspaket Druckerhöhung Der neue PumpDrive Eco verfügt über spezielle Funktionen, die einen gleichbleibenden Systemdruck und die Verfügbarkeit der Pumpen garantieren: Wassermangelfunktion: Fällt der Druck im Wasserversorgungsnetz, z. B. durch große Entnahmemengen, reduziert der neue PumpDrive den Sollwert der Pumpe. So können Überlasten und evtl. Abschaltungen vermieden werden. 55

Funktionspaket Druckerhöhung Jockeypumpen: Mit dem neuen PumpDrive ist die zeitgleiche Regelung von unterschiedlich großen Pumpen möglich. Tankcontrol: Zum Auffüllen von Vorbehältern steuert der neue PumpDrive die Ventile direkt an. 56

Unterschiedliche Feldbus-Module Profibus DP Modbus RTU LON Profil 1.0 BACnet / IP Profinet Ethernet 57

Einfachste Bedienung Vorprogrammiert auf die Pumpe ab Werk Integrierte Schnittstellen (Bedieneinheit, Serviceinterface) Vorparametriert ab Werk Einfache M12-Kabelsteckverbindung von PumpMeter an PumpDrive Optional integrierter Hauptschalter für komplette und zuverlässige Netzabschaltung 58

App zur Steuerung und Kontrolle iphone-bedienung für Schnell-Inbetriebnahme, Bedienen und Beobachten sowie Datenverwaltung über die Distanz (optional) 59

Alle Komponenten müssen betrachtet werden: Systemkomponenten Absperrklappe ISORIA Beruhigungsstrecke 5-10x DN Pumpenwirkungsgrad bestimmt durch Medium Absperrklappe ISORIA Aufweitung der Nennweile (konzentrisch) Pumpe Etanorm mit KSB SuPremE - Motor, PumpDrive und PumpMeter Konstruktion von Gehäuse, Laufrad, Lagerung Werkstoffe Rückschlagklappen und Armaturen bestimmen Reduzierstück (exzentrisch) Höhenverluste Thermische Verluste 61

Alle Komponenten müssen betrachtet werden: Systemkomponenten Einklemm-Absperrventil BOA-SuperCompact Rückflussverhinderer SERIE 2000 Pumpenwirkungsgrad bestimmt durch Beruhigungsstrecke 5-10x DN Medium Konstruktion von Gehäuse, Laufrad, Lagerung Werkstoffe Pumpe Etaline mit KSB SuPremE -Motor, PumpDrive und PumpMeter Rückschlagklappen und Armaturen bestimmen Höhenverluste Thermische Verluste Absperrklappe BOAX -S/-SF 62

Maßeinheiten der Energieeffizienz Wassernormpumpen MEI 0,40 1. Januar 2015 1. August 2015 Für Wassernormpumpen gilt MEI (Mindesteffizienzindex): Hoher Wert = hohe Effizienz Heizungsumwälzpumpen EEI 0,23 Für Heizungsumwälzpumpen gilt EEI (Energieeffizienzindex): Niedriger Wert = hohe Effizienz 63

Mehr Energieeffizienz durch geringe Druckverluste BOA -H Die Absperrklappen der Baureihen BOAX und ISORIA haben eine besonders strömungsgünstige Durchflussgeometrie ISORIA Die Rückschlagklappe SERIE 2000 bietet bestes Strömungsverhalten, wodurch weitere Einsparmöglichkeiten entstehen. BOA-H optimale Einisolierbarkeit BOAX -S / -SF SERIE 2000 PN 16 64

Das Lastprofil bestimmt den passenden Motor Jede Anlage ist anders und benötigt einen Motor der dazu passt. Auf Grundlage einer umfassenden Systemanalyse wählt KSB den individuell passenden Motor aus aus dem eigenen Sortiment. 65

Synchron-Reluktanzmotor KSB SuPremE Der effizienteste magnetfreie Pumpenantrieb der Welt Eignet sich besonders für variable Lastprofile Erreicht höchste Wirkungsgrade gerade im Teillastbereich Übertrifft schon heute die gesetzlichen Anforderungen der ErP-Verordnungen von 2017 66

Wirkungsgradkennfelder Synchron-Reluktanzmotor Warum IE3 für Pumpen oft nicht ausreicht Asynchronmotor IE3 KSB SuPremE-Motor (IE4*) Der Vorteil der Synchronmotortechnik liegt vor allem Teillastbereich Dort wo fast alle Pumpen betrieben werden Der Antrieb muss der Fahrweise und der Lastmaschine gerecht werden *IE4 nach IEC 60034-30 Ed.2.0:2011-05 67

Synchron-Reluktanzmotor KSB SuPremE 70 % Energieeinsparung möglich Bis zu 30 % Einsparung durch den Motor, bis zu 60 % Einsparung zusätzlich durch die Drehzahlregelung Kompatibel Identische Anschlussmaße zu IE2- Asynchronmotoren Geräuscharme Rotorgeometrie Patentierter Schnitt der Rotorblechpakete für eine besonders niedrige Drehmomentwelligkeit Langlebig und robust Verwendung unkritischer Materialien, Verzicht auf Sensoren, kühlerer Rotor Nachhaltiges Prinzip Verzicht auf Magnetwerkstoffe 68

Kontakt und Copyright KSB Aktiengesellschaft Johann-Klein-Straße 9 67227 Frankenthal Tel. +49 6233 86-0 E-Mail: info@ksb.com Herausgeber KSB Aktiengesellschaft vertreten durch den Vorstand: Dr. Wolfgang Schmitt, Dr.-Ing. Peter Buthmann, Werner Stegmüller Copyright KSB Aktiengesellschaft 2014 79