Endlich Klartext

Pumpen sind die Motoren von chemischen und verfahrenstechnischen Prozessen. Während jedoch bei Autos der Blick auf die Drehzahlmessung oder die Tankanzeige genügt, um den Kraftstoffverbrauch zu optimieren, fehlte bisher eine vergleichbare Information bei den Pumpen. Steigende Energiepreise führen jedoch zu einem Umdenken in den Unternehmen der Prozessindustrie. Nicht nur die Prozessführung steht mittlerweile zur Diskussion, auch über die Rolle der Pumpe in der Anlage wird neu nachgedacht. So stellte man bei einer Untersuchung von 80 Pumpen an einem großen deutschen Chemiestandort innerhalb des Projektes ReMain fest, dass nur ein Bruchteil davon im optimalen Bereich lief. Viele waren zu groß ausgelegt, einige jedoch liefen an der Grenze zur Überlastung. Dies wirkt sich nicht nur direkt auf den Energieverbrauch aus, auch die Zuverlässigkeit einer Pumpe hängt entscheidend davon ab, an welchem Betriebspunkt sie gefahren wird. Untersuchungen von DuPont etwa haben ergeben, dass die wesentlichen Verschleißteile Gleitringdichtungen und Lager im Verhältnis schneller ausfallen als bei einer Fahrweise am optimalen Betriebspunkt.

Diesen zu ermitteln, ist jedoch alles andere als einfach. Schließlich hängt der optimale Betriebspunkt nicht nur von der Pumpe ab, sondern auch von dem Prozess. Die Realität sieht meist so aus, dass sich der Blick von vielen Betreibern auf das Manometer richtet, wenn sie etwas über den Zustand ihrer Pumpe erfahren möchten. Allerdings hat die Anzeige des Manometers wenig mit dem aktuellen Betriebszustand, in dem sich die Pumpe befindet, zu tun. Hintergrund ist, dass man nur den statischen Druck sieht, die Information über den dynamischen Anteil fehlt.

Die Überwachungseinheit PumpMeter von KSB schafft Abhilfe und spricht nun Klartext, was das Innere der Pumpe betrifft. Die Einheit besteht aus Drucksensoren und einer Auswerte- und Anzeigeeinheit an der Pumpe. Rund um die Uhr messen zwei Sensoren in der Pumpe die Drücke auf der Saug- und der Druckseite. Das PumpMeter berechnet mit diesen Daten den Differenzdruck und ermittelt den derzeitigen Betriebspunkt, den es in Echtzeit permanent aktualisiert.

Der vom druckseitigen Sensor gemessene Druck wird mit einer Abtastfrequenz von einem Kilohertz erfasst und die Schaufelpassierfrequenz des Laufrades ermittelt. Die Elektronik analysiert diese minimale Pulsation und bestimmt so die Drehzahl der Pumpe und des Antriebsmotors. Daraus wird der Schlupf des Motors und schließlich Drehmoment und Leistung berechnet. Selbst bei sehr flachen Q-H-Kennlinien erhält der Betreiber eine sehr genaue Bestimmung des Betriebspunktes auf Basis der aktuellen Wellenleistung – ohne einen zusätzlichen Sensor. Damit entfällt das Messen der Leistung an einem anderen Ort als der Pumpe, etwa im Schaltschrank. Diese Leistungsmessung wird quasi mit der Druckmessung frei Haus geliefert. Im Laufe des Pumpenbetriebs wird durch das Zusammentragen aller Daten ein Lastprofil erstellt, das Aufschluss über die tatsächliche Betriebsweise der Pumpe gibt.

Das PumpMeter ersetzt damit die Manometer vor und nach der Pumpe, den Drucktransmitter für die Steuerung, die Regelung sowie zusätzliche Überwachungseinrichtungen. Mit-hilfe von standardisierten Schnittstellen stehen die gewonnenen Daten zudem einem zentralen Prozessleitsystem zur Verfügung.

Gemessene und berechnete Werte werden alternierend auf einem übersichtlichen Display angezeigt. In der typischen Kennliniendarstellung in vier Vierteln bekommt der Betreiber den Bereich angezeigt, in dem die Pumpe betrieben wird. Blinkt im Display ein linkes oder rechtes äußeres Segment, besteht Handlungsbedarf – entweder wegen extrem niedrigem oder zu hohem Förderstrom. Ein blinkendes drittes Viertel der Kennlinie steht für den optimalen Betriebsbereich. Ein linkes (zweites) Segment steht für langfristigen Optimierungsbedarf. Dank dieser Darstellung in international verständlicher Symbolik kann der Betreiber den Betriebspunkt bei der Inbetriebnahme sofort beurteilen und die Pumpe entsprechend einstellen. So sieht der Pumpennutzer auf einen Blick, ob die Verfügbarkeit gefährdet ist und ob die Pumpe effizient und damit kostensparend arbeitet.

Ein aufleuchtendes EFF-Zeichen (steht für Energieeffizienz) zeigt überdies Potenzial für eine signifikante Energieeinsparung an. Details erfährt der Anwender dann mit einem Blick auf das Lastenprofil, einer Histogrammdarstellung, die mittels angeschlossenem PC visualisiert wird:

Was PumpMeter natürlich nicht sehen kann: Läuft die Pumpe mit einem geöffneten Bypass? In einem solchen Fall wäre natürlich auch dann, wenn die Pumpe in ihrem optimalen Betriebspunkt läuft, noch Optimierungspotenzial gegeben.

Die Resonanz auf die Einführung des PumpMeter war enorm. Gut ein Viertel aller Auslieferungen betreffen inzwischen die Nachrüstung von bestehenden Pumpen. Bei ContiTech Vibration Control wurden beispielsweise PumpMeter zusammen mit PumpDrive integriert. Dabei dient PumpMeter nicht nur als Kontrollanzeige, sondern es stellt auch der Drehzahlregelung PumpDrive alle nötigen Kennwerte zur Verfügung und erleichtert das Parametrieren.

Das PumpMeter hilft aber auch bei scheinbar banalen Problemen. So lief in einem Unternehmen eine Pumpe ständig in Überlast, ohne dass dies weiter aufgefallen wäre. Jedesmal wenn die Pumpe defekt war, schaute der Techniker aufs Typenschild und bestellte die gleiche – zu kleine – Pumpe. Dank des nachgerüsteten PumpMeters erhielt der Anwender zum ersten Mal die verlässliche Information, dass seine Pumpe zu klein ist. Die nächste Pumpe wird daher genau an seine Anlagenbedingungen angepasst.

Das PumpMeter ist ab Werk an der Pumpe montiert und lässt sich einfach in Betrieb nehmen. KSB bietet die Überwachungseinheit bereits für ein- und mehrstufige Aggregate bis zu einem Betriebsdruck von 80 bar und Temperaturen bis 140 °C an. Im nächsten Jahr können auch Chemienormpumpen von KSB mit dem PumpMeter ausgestattet werden.

Das PumpMeter eignet sich auch für Anwender, die sich noch nicht sicher sind, ob sie eine Drehzahlregelung benötigen. Gleichzeitig bereitet es auch eine Nachrüstung mit der Drehzahlregelung PumpDrive vor, weil PumpMeter alle nötigen Kennwerte zur Verfügung stellt. Das Parametrieren von PumpDrive wird ebenso wie die Inbetriebnahme der Pumpe einfacher, da die Betriebsparameter der Pumpe kontinuierlich auf dem Display angezeigt werden.

Many systems in chemical and process engineering are driven by pumps. If we were talking about cars, a glance at the speedometer or fuel gauge would suffice to optimise fuel consump-tion; for pumps there is no comparable information. Or is there? Rising energy prices have changed the way the process industry thinks. A new focus has been placed on process control, and on the role of the pump within the system. At a large chemical site in Germany, involved in the project ReMain, an analysis of 80 pumps revealed that only a fraction of the pumps were operated in their optimum range. Many of the pumps were actually oversized while some were close to being overloaded. The direct impact on energy consumption is only one aspect, the pump’s operating reliability is another. Accord-ing to research conducted by DuPont, failure of the main wear parts of a pump such as me- chanical seals and bearings occurs earlier if the pump is not operated at its optimum operating point.

However, finding the optimum operating point is far from easy. It not only depends on the pump but also on the process. In real life, many operators monitor the pressure gauge to find out their pump’s operating condition. A pres-sure gauge cannot actually reflect the current operating conditions of a pump because it only refers to the static pressure without consider-ing the dynamic pressure component.

This problem has been solved by KSB’s PumpMeter, which presents an insight into the pump on an easy-to-read display. The monitoring unit comprises some pressure sensors as well as an analysing and display unit fitted to the pump. Round the clock, two sensors in the pump measure the pressure values on the suction and discharge side. PumpMeter uses this data to compute the differential pressure and determine the current operating point. The display is continuously updated in real time.

The discharge-side sensor measures the pres-sure with a sampling frequency of one kilohertz. The result is used to determine the vane passing frequency of the impeller. The electron-ics analyse these minimum pulsations to determine the speed of the pump and the drive. This data is used to compute the motor slip and finally the motor torque and power input. Even for very flat characteristic curves the operator receives a very accurate operating point based on the current pump input power – without the need for an extra sensor. The power input no longer needs to be measured away from the pump, for example in a control cabinet. Power input values are simply a by-product of the pressure measurement. A load profile for the pump is generated based on all the data compiled, providing information on the pump’s actual operating mode.

PumpMeter replaces the pressure gauges upstream and downstream of the pump, the pressure transmitter for the control functions, as well as any additional monitoring equipment. Standardised interfaces allow the data obtained to be used by a central process control system.

An easy-to-read display alternately shows various measured and calculated values. The display features a typical pump curve, sub-divided into four sections, illustrating in which range the pump is operating at a particular point of time. A flashing segment on either the far left or the far right signals that action needs to be taken – either due to extremely low or excessively high flow rates. If the third segment of the characteristic curve flashes, the pump is operating in its optimum range. If the second segment (from the left) flashes, optimisation is required in the long term. Thanks to the straightforward display based on international symbols, operators will recognise the operating point immediately when starting up the pump. They can then adjust the pump accordingly. So the pump user will see at a single glance if the pump’s availability could be jeopardised and if it is operating in an efficient and cost-saving manner.

As an additional feature, PumpMeter’s EFF (energy efficiency) symbol lights up whenever significant energy savings can be made. The user can then refer to the load profile (a histogram to be visualised with a connected PC) for more details:

Is the pump running with an open by-pass? Naturally, that is something PumpMeter cannot see. If this is the case, potential for optimisation remains, even when a pump is operated at its best efficiency point.

Since its introduction, PumpMeter has received enormous interest. About one quarter of all PumpMeter deliveries are intended to be retrofitted on existing pumps. At ContiTech Vibra- tion Control, for example, PumpMeter was integrated together with PumpDrive. Here, PumpMeter not only serves for monitoring purposes, but also feeds the PumpDrive speed control system with all necessary characteristics and thus facilitates parameterisation.

PumpMeter can also help overcome seemingly simple problems. In one company, a pump was continuously run in overload mode without anyone noticing it. Every time the pump was defective, the service technician referred to the name plate and ordered another identical pump – a pump which was too small. By retrofitting the pump with PumpMeter the custom-er for the first time received some reliable information showing that his pump was too small. The next replacement pump will be selected for the precise system conditions.

PumpMeter comes factory-mounted to the pump as a standard, allowing for straightforward commissioning. KSB’s range comprises PumpMeters for single-stage and multistage pump sets up to an operating pressure of 80 bar and temperatures of up to 140 °C. From next year onwards, PumpMeter will also be available for KSB’s standardised chemical pumps.

PumpMeter is a great option for users who are not sure if speed control is required. Retrofitting the pump set with KSB’s PumpDrive speed control system will become easy as the re- quired data has already been provided by PumpMeter. This also applies to the parameterisation of PumpDrive and commissioning of the pump since the pump’s operating parameters are continuously displayed.

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