Die Peripherie im Fokus

Der Autor: Christoph P. Pauly Pressereferent, KSB

Die Gründe dafür, dass beim Einsatz von Pumpen noch immer sehr viel Energie verschwendet wird, sind vielfältig. In verfahrenstechnischen Anlagen oder in Raffinerien haben Produktivität und ein schnelles Wiederanfahren nach der Reparatur einer Anlage höchste Priorität. Das geht häufig zu Lasten einer hydraulisch optimierten Anlage. Produktionsbedingten Umbauten am Rohrnetz folgt oft keine Anpassung bei den installierten Pumpengrößen. Falsch dimensionierte oder ausgewählte Armaturen, zu enge Rohrradien, inkrustierte Leitungsquerschnitte drosseln die Förderströme und tragen massiv zu Energieverschwendung bei. Dazu kommt, dass viele große Chemiestandorte oft ihre eigenen Kraftwerke haben und Strom zu sehr günstigen Konditionen zur Verfügung steht.

Pumpen, die weit von ihren ursprünglich angedachten Betriebspunkten laufen, sind ein weitverbreitetes Problem. Erschwerend kommt hinzu, dass Pumpen oft aus einem vermeintlichen Sicherheitsgedanken heraus mit 10- bis 15-prozentigen Zuschlägen bestellt werden.

Bei einer Neuinstallation ist die hydraulisch optimale Auslegung einer Pumpe noch relativ einfach. Kennt man die an die Pumpe gestellten Anforderungen, kann man mit der Hilfe von Auslegungsprogrammen, die die meisten Hersteller für ihre Kunden bereithalten, eine sehr genaue und sparsame Auslegung des Aggregates vornehmen. Hier kommt es natürlich darauf an, dass der Anwender auf eine Vielzahl sehr gut aufeinander abgestufter Baugrößen zurückgreifen kann, und dass die Laufraddurchmesser auf den Betriebspunkt abgedreht sind. Hierbei ist es elementar, auf Sicherheitszuschläge zu verzichten. Bei falscher Betriebsweise kann auch eine Pumpe mit gutem Wirkungsgrad nicht mehr sparsam fördern.

Bei einer bestehenden Anlage, die vielleicht schon einige Jahre im Einsatz ist, ist die Ermittlung von Einsparpotenzialen nicht ganz so einfach. Der erste Schritt besteht darin, den Betriebspunkt der Pumpe und ihre Fahrweise zu ermitteln. Von diesem Ergebnis hängen alle weiteren Einsparmaßnahmen ab. Hier kann man sich professioneller Hilfe bedienen.

So bietet zum Beispiel die KSB Service ihren sogenannten System-Effizienz-Service (SES) an. Dieser ist in mehrere Schritte gegliedert, in deren Mittelpunkt die messtechnische Erfassung aller Pumpen- und Anlagenparameter sowie die Ausarbeitung konkreter Verbesserungsmaßnahmen stehen. Nach einer ersten Anlagenbegehung durch die Pumpenspezialisten zeichnen spezielle Datenlogger alle relevanten Daten über einen repräsentativen Zeitraum auf. Diese Geräte erfassen die Durchflussmengen, die Zulauf- und Enddrücke der Pumpen sowie elektrische Messwerte wie die aktuell anliegenden Motorleistungen. Auch die an den Lagerträgern der Pumpe auftretenden Schwingungen werden gemessen. Sie erlauben Rückschlüsse auf den Verschleißzustand der Pumpe und machen es möglich, Fehlausrichtungen, Verspannungen, Unwucht oder Schwingungen aus der Peripherie zu identifizieren – Faktoren, die einen erheblichen Einfluss auf Verfügbarkeit und Lebensdauer einer Pumpe haben können. Auf der Basis der so gewonnenen Messdaten führen die Servicespezialisten eine detaillierte Auswertung durch. Sie machen Vorschläge für Einsparmaßnahmen und kalkulieren, mit welchen Amortisationszeiten gerechnet werden kann. Entschließt sich ein Betreiber eine der vorgeschlagenen Maßnahmen umzusetzen, führen die Servicespezialisten nach dem Abschluss des Projektes eine kostenlose Zweitmessung durch, um den Erfolg der Maßnahmen nachzuweisen.

In der Praxis stellt sich oft nach genauer Untersuchung des Betriebsverhaltens einer Pumpe heraus, dass sie nicht im optimalen, energiesparenden Betriebspunkt läuft. Ursache sind die bereits erwähnten Abweichungen vom Auslegungswert durch Überdimensionierung der Anlage oder die normalen prozessbedingten, temporären Schwankungen des Förderstrombedarfes einer Anlage. Wird die Leistungsaufnahme nicht durch eine geeignete Regelung dem Bedarf angepasst, wird wertvolle Energie vernichtet. Durch Veränderung der Pumpendrehzahl kann die Leistungsaufnahme der Pumpe an den Bedarf der Anlage angenähert werden. Bei geschlossenen Kreisläufen kann man je nach anfallendem Lastprofil bis zu 60 % Energie einsparen. Die Industrie bietet eine Vielzahl von technischen Möglichkeiten, um über die Drehzahlregelung den Energieverbrauch zu beeinflussen.

Dieses Einsparpotenzial lässt sich mit einem Beispiel aus der Praxis belegen. In einem hydraulisch geschlossenen Kreislauf fördert eine Industriepumpe Wasser mit Antifrogen zu Kühlzwecken. Die erforderliche Förderhöhe liegt bei 38 m. Die benötigte Kühlwassermenge hängt von einem nachgeschalteten Prozess ab und liegt zwischen 200 und 300 m3 in der Stunde. Im ungeregelten Betrieb benötigt die Pumpe 215 467 kWh pro Jahr. Bei 10 Cent pro kWh belaufen sich die Kosten auf 21 547 Euro pro Jahr. Rüstet man die Pumpe mit einer Drehzahlregelung aus, die über eine simple Differenzdruckregelung den Förderdruck konstant hält, spart man im Jahr etwa 1900 Euro. Dieses Einsparpotenzial ist mit fast jedem handelsüblichen Frequenzumrichter abschöpfbar.

Kommt noch zusätzlich die hydraulische Funktion „Kompensation der förderstromabhängigen Rohrreibungsverluste“ hinzu, wie sie zum Beispiel im Drehzahlregelsystem PumpDrive von KSB erzeugt werden kann, beträgt die Einsparung 7832 Euro gegenüber der ungeregelten Variante. Das bedeutet eine Strom- und Kostenersparnis von fast 40 %. Natürlich ist das Einsparpotenzial abhängig vom Lastprofil der Anlage. Am größten ist die Einsparung, wenn die Pumpen oft in Teillast fahren. Bei einer Pumpe, deren voller Volumenstrom ständig benötigt wird, bringt Drehzahlregelung keine Kosteneinsparung.

Für die Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen ist die Auswahl an konfektionierten Drehzahlregelsystemen heute allerdings noch nicht sehr groß. Die vielen unterschiedlichen Werksnormen der Betreiber machen es den Pumpenherstellern fast unmöglich zum Beispiel ihre „motormontierten“ Drehzahlregelsysteme wirtschaftlich an die gestellten Anforderungen anzupassen und zertifizieren zu lassen. Das gleiche gilt auch für die neuen hocheffizienten Antriebsmotoren, die zwar aufgrund ihrer geringeren Wärmeentwicklung gut für den Einsatz zu adaptieren wären, die aber wegen ihres Wirkprinzips oft auch einen Frequenzumrichter (FU) benötigen.

Man kann die Frequenzumrichter natürlich auch außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches installieren. Das ist aber eine eher unbeliebte Aufstellungsart, da man hier einen erheblichen Verkabelungsaufwand hat, um weite Entfernungen zwischen Motoren und Frequenzumrichtern zu überbrücken.

Zusätzliche Investitionskosten für Sinusfilter und teure abgeschirmte Kabel mindern die Einspareffekte und verlängern die Amortisationszeiten. So bleibt es in der Regel den Mess- und Regeltechnikabteilungen der Betreiber vorbehalten, die Einsparpotenziale, die die Drehzahlregelungen für Pumpen oft bieten, in den explosionsgefährdeten Bereichen zu erschließen.