Gläserne Pumpen

Stephan Gögl

Externe Frequenzumrichter werden bei Pumpen üblicherweise als Schalt-schrankeinbaugeräte in entsprechender Schutzart geliefert. Dabei müssen die Einbaumaße bei der räumlichen Aufteilung des Schaltschrankes berücksichtigt werden. Lediglich die Bauform der Umrichter erlaubt geringfügig Platzoptimierung. Kleinanlagen ohne Platzreserve im Schaltschrank erfordern bei Erweiterung freie Wandmontage der Umrichter.

Eine kostengünstige Alternative hierzu stellt der integrierte Umrichter dar (Abb. 1). Die Anschaffungskosten dieser Variante sind den eines Schaltschrankeinbaugerätes gleichzusetzen. Integrierte Umrichter bieten hohen Staub- und Wasserschutz und wahren die Schutzart der gesamten Antriebseinheit. Folgekosten werden durch einfachen elektrischen Anschluss minimiert. Platzreserven im Schaltschrank sind nicht notwendig, da die Montage vor Ort am Motor erfolgt. Dieser Vorteil wird ebenfalls bei fahrbaren Pumpen genutzt, die den Umrichter ohne zusätzlichen Installationsaufwand mit sich führen. Eingegrenzt wird die Verwendung integrierter Lösungen durch die derzeit verfügbare Leistungsbandbreite. Unterschiedliche Hersteller bieten ein- und dreiphasige Geräte von ca. 0,25 bis 7,5 kW an.

Die Eingliederung eines Pumpenantriebes als Slave in ein Bussystem ermöglicht den Austausch von Parameter- und Prozessdaten. Dieser Datenaustausch dient der zentralen Überwachung, Steuerung und eventuellen Visualisierung/Aufzeichnung der Pumpenarbeit. Befehle wie Start/Stop, Drehzahlsollwert oder Drehrichtungsumkehr (bei drehrichtungsunabhängigen Pumpen) werden durch Statussignale quittiert. Weiter werden Fehler und Warnmeldungen unverzüglich an die Leitstelle übermittelt. Wichtig ist die Auswertung der anfallenden bzw. angeforderten Daten und deren Umsetzung in sinnvolle Prozessabläufe. Dieser letzte und bedeutendste Arbeitsschritt ist Grundlage für die intelligente Eingliederung der Kreiselpumpe in ein System. Die Ansteuerung einer Pumpe sollte daher nach den Gesichtspunkten

• produktschonende Abläufe schaffen,

• schonender Pumpenbetrieb,

• energiebewusster Umgang und

• verlängerte Wartungsintervalle der Pumpe

optimiert werden.

Interessant für Anlagenbauer erscheint auch die Standardisierung von Anlagen. Trotz unterschiedlicher Maschinenleistungen kann die Pumpe als Komponente in Leistungsbereiche (kW-Abstufungen) klassifiziert werden. Eine exakte Betriebspunktbestimmung entfällt. Die Optimierung der Pumpenleis-tung auf die anlagentypische Kennlinie erfolgt bei Inbetriebnahme. Die Aufgabe der anwenderspezifischen Grundkonfiguration oder Ausgangsparametrierung kann dem Pumpenhersteller übertragen werden und senkt somit weiter den Aufwand bei Inbetriebsetzung.

Nachfolgend wird zwischen gesteuerten und geregelten Pumpen unterschieden. Einfache und zeitunkritische Aufgaben werden oftmals nur fern- oder handgesteuert. Dabei findet eine Drehzahlfixierung und eventuell im fortlaufenden Prozess eine Nachjustierung der Arbeitsgeschwindigkeit statt. Prozessbedingte Dynamik wird üblicherweise über stetige Regler ausgeglichen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Pumpe als anpassungsfähiger Mitläufer oder bestimmendes Stellglied im Regelkreis agiert. Beeinflussbare Größen wie Druck, Menge, Temperatur, Füllstände und -höhen oder Dosagen erfordern bei geregelten Kreiselpumpen entsprechende und teils kostenintensive Istwertaufnehmer.

Vereinzelt oder regelmäßig wiederkehrende Prozessabläufe aus Produktion oder Reinigung ergeben in einem Betrieb unterschiedliche Wasserabnahmemengen. Teilweise wird die Problematik durch Rohrleitungsverluste, hervorgerufen durch getätigte Netzerweiterungen oder gestiegener Abnahmemengen, verschärft. Hieraus resultieren schwankende Wasserdrücke im Betriebsnetz, die für verschiedene Prozessschritte ungenügend sind oder gar gefährlich werden können. Sinnvoll sind druckabhängige Regelungen, die sowohl Spitzenlasten und Teillastbetrieb oder Nullabnahme wirtschaftlich abdecken. Gleichbleibender Systemdruck erfordert schnelle Antwortzeiten und gute Ausregeleigenschaften der Wasserversorgungsanlage.

Die Auslegung der Anlage sieht eine Aufteilung der Spitzenlast auf mehrere Pumpen vor. Aus Gründen der Ersatzteilhaltung und Austauschbarkeit werden möglichst baugleiche Pumpen verwendet. Ist eine Abschaltung bei Nullabnahme nicht gefordert oder betriebsbedingt nicht sinnvoll, kommt eine kleine Grundlastpumpe zum Einsatz, die ungeregelt mit voller Drehzahl arbeitet. Betriebe, die nachts oder am Wochenende keine Abnahmemengen aufweisen, wünschen Standby-Betrieb der Pumpen.

Nach Abschaltung der Pumpen auf Bereitschaftsmodus wird der Systemdruck ständig überwacht. Eine frei einstellbare Hysterese definiert den Wiedereinschaltpunkt (Mindestdruck) der Pumpen. Voraussetzung für diese Funktion ist eine druckseitig installierte Rückschlagklappe der Pumpen.

Bewusst wird auf Puffergefäße, die eine Hysterese verzögern, verzichtet. Speziell für Pharma- oder Lebensmittelbetriebe erweist sich die schlechte Durchströmbarkeit der Behälter wegen der potentiellen Verkeimungsgefahr als bedenklich. Die schlechte bzw. fehlende Durchströmung ist im Heißwasserbereich in zweifacher Hinsicht bedenklich: Thermisch undefinierte Zustände führen wegen zu geringer Temperatur zum einen zu potentieller Verkeimungsgefahr, zum anderen kann durch zu hohe Temperatur die Membrane beschädigt werden. Aus Sicherheits- und Wartungsgründen werden Kaskadenschaltungen mit Hand oder Bypass-Betrieb ausgestattet. Zusätzliche Reparaturschalter erlauben Austausch oder Wartung einer einzelnen Pumpe bei laufendem Betrieb. Die Grundlastpumpe kann entweder von Hand oder automatisch in gewisser Zeitabfolge angewählt werden und ermöglicht somit gleichmäßige bzw. gezielt ungleichmäßige Betriebsstundenverteilung.

Filteranlagen weisen mit zunehmender Standzeit eine größere Druckdifferenz Dp auf. Diese Messgröße dient in der Regel als Indikator für die Filtererschöpfung. Wird ein gewisser Verblockungsgrad erreicht, ist eine Regeneration des Filters notwendig. Dabei ist es unerheblich, ob der Filter mit oder ohne Filtrationshilfsmittel arbeitet. In dem skizzierten Beispiel ist die Kieselgurfiltration in einer Brauerei, bei der die Forderung nach gleichbleibender Mengenleistung maßgebend ist, dargestellt (Abb. 2). In diesem Fall liefert ein Durchflussmesser den aktuellen Istwert [m3/h] und die Pumpe regelt den ansteigenden Gegendruck durch zunehmende Drehzahl aus. Gleichzeitig werden Zustandsänderungen auf der Saugseite der Pumpe, wie beispielsweise Umstellen auf Tanks mit unterschiedlicher Zulaufhöhe, ausgeglichen. Zur Leistungsauslegung der Kreiselpumpe wird der größtmögliche Bedarfsfall herangezogen. Dennoch arbeitet die Pumpe nahezu über den gesamten Filtrationsprozess im Teillastbereich.

Ohne Frequenzumrichter muss die Leis-tungseinstellung über Drosselventile oder Bypass-Schaltungen erfolgen. Dabei arbeitet die ungeregelte Pumpe mit Nenndrehzahl und belastet das Fördermedium unnötig. Scherkräfte wirken sowohl in der Pumpe als auch am Drosselventil und beeinträchtigen die Produktqualität und Filtrierbarkeit. Zudem findet ein Wärmeeintrag ins Fördermedium statt, hohe Strömungsgeräusche verschlechtern das Arbeitsumfeld und die Dosage von Filtrationshilfsmittel gestaltet sich schwieriger, woraus eine geringere Standzeit des Filters resultiert. Grundsätzlich stellt jede zusätzliche Apparatur zur Leistungseinstellung der Kreiselpumpe (Drossel oder Bypass) eine potentielle biologische Gefahr dar und muss bei der Reinigung der Gesamtanlage berücksichtigt werden.

Um ein gutes Füllergebnis zu erhalten, fordern druckbeaufschlagte Füllmaschinen einen möglichst gleichbleibenden Füllereinlaufdruck. Aufgrund der direkten Abhängigkeit der Parameter Druck und Menge steigen die Druckverluste bei zunehmender Abnahmemenge. Die Folgen sind schwankender Einlaufdruck und im Extremfall Entbindung des gelösten Gases bei Unterschreiten des Sättigungsdruckes. Um nun unterschiedliche Füllerzustände wie Nenn- oder Teillastbetrieb oder Füllstop (Notaus) auszugleichen, wird eine druckabhängige Regelung eingesetzt. Der Istwertaufnehmer wird unmittelbar vor den Füllereinlauf platziert und überprüft den frei einstellbaren Einlaufdruck. Soll- und Istwert werden im Regler verglichen, anschließend wird ein entsprechendes Stellsignal an den Frequenzumrichter weitergeleitet. Entsprechend der Größe und Wirkrichtung der Regelabweichung wird die Pumpendrehzahl korrigiert. Gefordert ist eine schnelle Antwortzeit und schwingungsfreies Arbeiten der Pumpe. In diesen Regelkreis wirken ebenfalls Zustandsänderungen, die sich saugseitig der Pumpe zutragen, wie z.B. unterschiedliche Vorspanndrücke verschiedener Drucktanks.

Halle 10.1, Stand H20/I21

Weitere Informationen dei 205