Drehzahlregelung für Pumpen

Einsparpotenzialausschöpfen

Die Stromkosten für den gewerblichen Verbrauch sind in den letzten fünf Jahren um rund 50 Prozent gestiegen. Ein knappes Drittel dieses Verbrauchs entfällt auf den Antrieb von Pumpenmotoren. Eine bedarfsabhängige, automatische Leistungsanpassung ermöglicht bei optimaler Auslegung des Pumpenaggregats Einsparungen von bis zu 60 Prozent.

Versuchsanordnung einer Mehrpumpenanlage, die mit der Pumpendrehzahlregelung Pump Drive ausgerüstet sind.

Für Industrie- und Gewerbebetriebe bietet sich ein erhebliches Einsparpotenzial, da Pumpen nicht immer ihre volle Leistung erbringen müssen – ob in der Prozesstechnik, für Kühlsysteme, zum Transport chemischer Flüssigkeiten oder für die Wasserversorgung. Der Kostenaufwand für die elektrische Antriebsenergie einer Pumpe schlägt über die gesamte Dauer ihres Einsatzes mit erheblichen Summen zu Buche: Über ihren Lebenszyklus betrachtet nehmen allein die Energiekosten im Mittel einen Anteil von 45 Prozent an den Gesamtkosten ein. Es ist also nahe liegend, mögliche Energieeinsparpotenziale zu erschließen. Diese liegen vor allem im Verhältnis der benötigten hydraulischen Förderleistung zur aufgenommenen elektrischen Antriebsenergie des Pumpenaggregats.

Optimaler Arbeitsbereich

Eine Pumpe liefert zwar die geforderten Durchflussmengen und Drücke über einen breiten Arbeitsbereich, ein wirtschaftlicher Betrieb ist jedoch nur innerhalb bestimmter Grenzen gegeben. Unter realen Betriebsbedingungen betrachtet kann dies bedeuten, dass die Pumpe mit voller Drehzahl fährt, obwohl momentan nur ein Bruchteil der hydraulischen Nennleistung benötigt wird.

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Der optimale Arbeitsbereich einer ungeregelten Pumpe liegt in einem schmalen Bereich um den Punkt des besten Wirkungsgrades. An diesem orientiert sich die Auswahl der Pumpe. Allerdings wird der optimale Betriebspunkt, besonders bei ständig schwankendem Bedarf, eher selten erreicht. Ohne eine bedarfsabhängige Leistungsanpassung bedeutet dies unnötig hohen Verbrauch an Antriebsenergie und damit auch höhere Betriebskosten. Der Stromverbrauch des Aggregats kann über Drehzahlverstellung bedarfsabhängig reduziert werden. Die Anwendung dieser regelungstechnischen Maßnahme ist jedoch dann eingeschränkt, wenn ein bestimmter Verbraucher trotz schwankender Fördermenge ständig einen definierten Druck erfordert. Eine Reduzierung des Energieverbrauchs ließ sich in diesem Fall bislang nicht anstreben, ohne die Versorgungssicherheit zu beeinträchtigen.

Ein mögliches Beispiel ist die Kühlwasserversorgung in einem kunststoffverarbeitenden Industriebetrieb, die trotz schwankendem Gesamtdurchfluss an den einzelnen Maschinen eine definierte Kühlwassermenge bereitstellen muss, um eine gleich bleibende Qualität der Kunststofferzeugnisse zu gewährleisten. Wo große Fördermengen und hoher Druck erforderlich sind, gleichzeitig sich aber laufend die Entnahme oder Umwälzmenge verändert, passt eine neue Entwicklung von Hochdruck-Inlinepumpen mit Pumpendrehzahlregelung die Förderleistungen dem jeweils momentanen Bedarf an. Die Baureihe Movitec PumpDrive wurde von KSB für den Betrieb von bis zu sechs Pumpen konzipiert.

Auch beim parallelen Betrieb mehrerer Pumpen in einer Anlage kann die stufenlose Leistungsanpassung den Energieverbrauch je Pumpe erheblich senken. Durch vorausschauende Planung lässt sich eine effektive Reduktion der Energiekosten bereits im Vorfeld berücksichtigen, was sich wesentlich auf die Lebenszykluskosten auswirkt. Für die Planung und Auswahl eines Pumpensystems sind dabei nicht nur die benötigten Leistungen maßgebend, sondern vor allem auch die Betriebsweise. Darunter ist zu verstehen, welche Laufzeiten sich für die jeweiligen Förderleistungen ergeben. Zunächst orientiert sich die Wahl eines geeigneten Pumpentyps an den Auslegungsdaten für die Fördermenge und die benötigte Förderhöhe. Der Betriebsbereich mit dem optimalen Gesamtwirkungsgrad liegt dort, wo die Pumpe über die längste anteilige Laufzeit den bestmöglichen Gesamtwirkungsgrad erreicht.

Sind stark schwankende Betriebsbedingungen zu erwarten, lässt sich durch eine bedarfsabhängige Pumpendrehzahlregelung eine energieoptimierte Arbeitsweise erreichen. Die Drehzahlregelung von Pumpdrive registriert über einen Sensor fortlaufend Veränderungen und passt die Förderdaten stufenlos dem tatsächlichen Bedarf an.

Optimierung bei Parallelbetrieb

Am Beispiel Kühlwasserversorgung lässt sich in vier Kernpunkten darstellen, wie eine stufenlose Pumpendrehzahlregelung die Förderleistung dem tatsächlichen Bedarf anpasst:

1. Leistungsanpassung auf definierten Punkt: Um an einer bestimmten Stelle unabhängig vom übrigen Netz einen konstanten Fließdruck bereitzustellen, ermöglicht die von KSB entwickelte Drehzahlregelung die Druckregelung mit förderstromabhängiger Sollwertnachführung. Dies bedeutet, dass die Leistungsanpassung auf einen definierten Punkt in der Anlage ausgerichtet werden kann, so dass dort die geforderten Werte konstant bleiben, die Pumpenleistung sich aber auch dem jeweils momentanen Bedarf anpasst.

2. Die Drehzahlregelung erkennt Veränderungen: Große Versorgungsnetze werden immer wieder erweitert, verändert, teilweise auch rückgebaut. Damit verändern sich auch jeweils die hydraulischen Eigenschaften; die Anlagenkennlinie hat irgendwann einen anderen Verlauf als zum Zeitpunkt der Auslegung. In gleicher Weise wirken sich Veränderungen aus, die im Verborgenen bleiben – zum Beispiel Inkrustationen, die allmählich die Leitungsquerschnitte verringern.

Diese Veränderungen werden von der Pumpendrehzahlregelung registriert, die Förderleistung wird entsprechend korrigiert. Die von KSB entwickelte Pumpendrehzahlregelung ermöglicht durch zwei separate Analog-Eingänge, dass über Sensoren an verschiedenen Stellen des Rohrnetzes Messwerte erfasst werden können.

So kann zum Beispiel an einem bestimmten Punkt innerhalb der Anlage sichergestellt werden, dass die benötigte Durchflussmenge beziehungsweise der erforderliche Druck beibehalten wird.


3. Optimierung bei Parallelbetrieb: Schaltet sich bei parallel betriebenen Pumpen eine Pumpe dazu, addieren sich die Fördermengen der einzelnen Pumpen theoretisch zu einer Gesamtfördermenge. Dies berücksichtigt jedoch nicht, dass die Gesamtförderleistung vom Verlauf der jeweiligen Anlagenkennlinie abhängt.

Bei Mehrpumpenbetrieb verschiebt sich der Betriebspunkt in Richtung Teillast und entfernt sich damit vom Wirkungsgrad-Optimum. Die Drehzahlregelung gleicht dabei Förderleistungen so ab, dass alle parallel betriebenen Pumpen in der Nähe ihres optimalen Wirkungsgrades arbeiten.

4. Abwechselnder Pumpenbetrieb: Beim Einsatz mehrerer Pumpen in einer Anlage wird sichergestellt, dass alle gleichmäßig ausgelastet sind. Der wechselweise erfolgende Pumpenbetrieb verhindert auch eine zu starke Beanspruchung der Hauptpumpe sowie mögliche Stillstandsschäden der übrigen Pumpen. Bei geforderter Redundanz der Anlage kann die Pumpendrehzahlregelung in einer Ausführung gewählt werden, die bei Ausfall der Hauptpumpe automatisch eine weitere Pumpe als Master aktiviert.

Die motormontierte Pumpendrehzahlregelung ermöglicht über die Anpassung der Förderleistung hinaus auch die Betriebsüberwachung sowie die Abfrage von Betriebsdaten. Typische Einsatzbereiche für sind Kühlwassersysteme, Druckerhöhung für die Wasserversorgung in Industriebetrieben, Transport von Prozesswasser und anderen Flüssigkeiten, sowie Wasseraufbereitungsanlagen oder Feuerlöschsysteme.

Für Mehrpumpenanlagen wird die Drehzahlregelung werkseitig weitestgehend vorparametriert, so dass die Pumpenanlage sofort nach dem Prinzip Plug & Run in Betrieb gesetzt werden kann. Bei der Inbetriebnahme einer Einzelpumpenanlage müssen vor Ort an der Steuereinheit nur noch wenige Parameter eingestellt werden. Die Parametrierung kann über die im Gehäuse integrierte Grafik-Bedieneinheit oder auch über einen Laptop erfolgen.

Es ist auch möglich, die Pumpendrehzahlregelung an vorhandenen Pumpenmotoren nachzurüsten, da Pumpdrive über ein eigenes, autarkes Kühlsystem verfügt. Die Regelungseinheit lässt sich auch an den Motoren anderer Pumpenfabrikate nachrüsten.

Wolfgang Heinl / Dr. Peter Stipp

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