Einsparpotenziale konsequent nutzen

Rainer Schmitz

Bei konstanten Bedingungen in einer verfahrenstechnischen Anlage wie bei Behäl-terfüllungen sind ungeregelte Pumpensysteme die kostengünstigste Wahl. Bei sich verändernden Bedingungen, z. B. schwankenden Vordrücken und unterschiedlichen Abnahmemengen, sind drehzahlgeregelte Systeme vorzuziehen. Das beste Konzept besteht darin, die Volllast im Parallelbetrieb mehrerer Pumpen zu fördern. Eine solche Druckerhöhungsanlage kann aus bis zu sechs Pumpen bestehen, die auf einer gemeinsamen Grundplatte installiert und miteinander verrohrt sind. Bei Teillast werden dann entsprechend Pumpen weggeschaltet.

Die Vorausberechnung des Energieverbrauchs ist ein aufwendiger Prozess, wofür jedoch von den Herstellern geeignete Computerprogramme angeboten werden. Ein Pumpenauslegungsprogramm muss nicht nur den Betriebspunkt ermitteln, sondern auch Randbedingungen berücksichtigen. In einschlägigen Normen sind z. B. Grenzwerte für zulässige Strömungsgeschwindigkeiten, aber auch für Beschleunigungen des Mediums genannt. Zudem sind anlagenspezifische Werte wie die maximale Schalthäufigkeit zu beachten. Die optimale Planungsgrundlage ist sicherlich ein gemessenes Lastprofil. Danach werden die Pumpen so ausgewählt, dass bei den am häufigsten vorkommenden Verbrauchswerten günstige Wirkungsgrade erzielt werden.

Die Parameter Wirkungsgrad der Pumpenhydraulik und des Elektromotors sowie die Vorzüge einer Drehzahlregelung und sollen hier nur kurz gestreift werden. In Druckerhöhungsanlagen werden hauptsächlich vertikale mehrstufige Kreiselpumpen eingesetzt. Um einen hohen Pumpenwirkungsgrad zu erreichen, reduzieren die Konstrukteure beispielsweise durch Verwendung von schwimmenden PTFE-Spaltringen die Druckdifferenz zwischen den einzelnen Laufradkammern. Durch Minimierung des Spalts auf 0,1 mm bleibt zudem der hydraulische Kurzschluss sehr gering.

Beim Elektromotor entfallen 97 bis 99 % der gesamten Betriebskosten alleine auf die Energiekosten. Diese können also bereits nach kurzer Zeit den Anschaffungspreis des Motors erreichen. Deshalb lohnt es sich immer, einen Hocheffizienzmotor der Eff1-Klasse mit einem Wirkungsgrad von 92,6 % einzubauen, auch wenn die Wirkungsgraddifferenz zum Eff2-Motor nur 2,1 % beträgt.

Hinter der drehzahlgeregelten Pumpe steht die Idee, eine elektronische Steuerung in die Pumpe zu integrieren, um deren Leistung kontinuierlich den aktuellen Anlagenbedingungen anzupassen und damit den Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren. Doch aufgepasst: Einen bestehenden Eff2- oder gar Eff3-Elektromotor mit einem Frequenzumformer nachzurüsten, kann fatale Auswirkungen auf den Wirkungsgrad und die Betriebskosten haben. Denn während der Eff1-Motor selbst im Teillastbereich einen gleich guten, wenn nicht besseren Wirkungsgrad besitzt, kann der Wirkungsgrad eines Eff2- oder Eff3-Motors im Teillastbereich stark abfallen. Im guten Glauben, mit einem Fre-quenzumrichter die Betriebskosten zu senken, tritt in diesem Fall genau das Gegenteil ein. Eine Druckerhöhungsanlage sollte also stets mit Pumpen mit Eff1-Motoren ausgerüstet sein.

Bisher wurden Steuerungsoptionen und Energieeinsparungen nicht in Verbindung gebracht, obwohl damit die Betriebskosten erheblich gesenkt werden können. Ein Beispiel ist eine wirkungsgradoptimierte Pumpenschaltung dank hinterlegter Pumpenkennlinien in der Steuerung. Eine herkömmliche Druckerhöhungsanlage startet mit einer geregelten Führungspumpe; diese versucht, den Bedarf der Anlage zu decken. Ist die Führungspumpe nahe 100 % ihrer Drehzahl angekommen, so geht man davon aus, dass die Anlage einen höheren Volumenstrom benötigt und schaltet die nächste Pumpe hinzu. Beide Pumpen werden nun synchron angesteuert, um mit der gleichen Drehzahl zu fahren. Dazu wird zunächst das Drehzahlstellsignal zurückgenommen und der Regler fängt erneut an, die Drehzahlen der Pumpen auf den Bedarf der Anlage anzupassen. Fraglich ist nun, ob der ideale Umschaltpunkt, an dem man die zweite, dritte oder auch vierte Pumpe hinzuschaltet, immer dann erreicht ist, wenn die schon in Betrieb befindlichen Pumpen ihre maximale Drehzahl erreicht haben. Genau dies ist meist nicht der Fall.

Eine wirkungsgradoptimierte Pumpenschaltung legt deshalb den Umschaltpunkt früher, z. B. bei 94 % der Maximaldrehzahl. Darüber hinaus kann der Wirkungsgrad der Einzelpumpe schlechter sein als der von zwei Pumpen im Parallelbetrieb.

Durch Laden einer kompletten Pumpenkennliniendatei im Frequenzumformer erkennt die Steuerung exakt den momentanen Betriebspunkt der Pumpen und der Gesamtanlage. Über den Differenzdruck der Anlage, gemessen durch den Istwert auf der Druckseite und des Vordrucks aus der Wassermangelsicherung (mittels Drucksensor), ermittelt die Steuerung der Druckerhöhungsanlage exakt den Betriebspunkt. Durch ein in der Pumpenkennliniendatei hinterlegtes Wirkungsgradkennfeld kann die Steuerung so zu jedem Betriebspunkt eine optimale Pumpenzu- bzw. -abschaltung realisieren. Ein weiterer Vorteil dieser Ansteuerung ist die rechnerische Ermittlung des aktuellen Volumenstroms, der für weitere Steuerungsfunktionen verwendet wird.

Das Erzeugen von Druck kostet Energie, deswegen sollte der Sollwert der Druckerhöhungsanlage so niedrig wie möglich gehalten werden. Zwei Funktionen ermöglichen das: Zum einen die Vorgabe alternativer Sollwerte. Industriebetriebe benötigen am Wochenende vielfach einen geringeren Druck. Hier kann der Sollwert über die Zeitschaltuhr an gewissen Tagen und zu gewissen Uhrzeiten den Sollwert der Anlage senken. Zum anderen ist Proportionaldruckregelung/Schlechtpunktregelung insbesondere bei langen Zubringerleitungen von Vorteil.

Soll in einem Versorgungsnetz der Netzdruck 5 bar betragen, und der Druckverlust in der Rohrleitung beträgt 1 bar, muss an der Druckerhöhungsanlage ein Sollwert von 6 bar eingestellt werden. Bei geringeren Volumenströmen, wenn der Druckverlust in der Zubringerleitung beispielsweise nur 0,1 bar ist, herrscht dann im Versorgungsnetz ein Druck von 5,9 bar. Bei der Proportionaldruckregelung wird deshalb der Sollwert der Anlage mit dem Volumenstrom geführt. Bei hohen Volumenströmen beträgt der Sollwert der Anlage 6 bar, bei sinkenden Volumenströmen reduziert die Anlage den Solldruck quadratisch (analog dem Druckverlust) auf 5,1 bar. In modernen Regelungen können hier die oberen und unteren Sollwertpunkte festgelegt werden. Der Regler ermittelt dann den quadratischen Verlauf der Sollwertkurve zwischen diesen beiden Punkten und kompensiert die Druckverluste in der Zubringerleitung.

Online-Info www.cav.de/0610444

Druckerhöhungsanlagen der Baureihe Hydro MPC (max. 720 m³/h Förderleistung und 400 m Förderhöhe) zeichnen sich durch einen energiesparenden und sicheren Betrieb aus: Zum Einsatz kommen bis zu sechs vertikale, mehrstufige Hochdruckpumpen der Baureihe CR mit Eff1-Hochwirkungsgrad-Motoren. Diese Pumpen sind aufgrund ihrer Bauweise mit Patronengleitringdichtung und Ausbaukupplung besonders servicefreundlich. Zusammen mit der auf Energieeffizienz optimierten Anlagensteuerung ergeben sich im Schnitt bis zu 15 % Wirkungsgradunterschied im Vergleich zu anderen Druckerhöhungsanlagen.

Grundfos hat die Baureihe Hydro MPC weiterentwickelt. Unter anderem kann der gewünschte Sollwert von einem anderen analogen Wert geführt werden – beispielsweise durch den Vordruck. Kommt es in diesem Fall zu einem drastischen Druckabfall im vorgelagerten Versorgungsnetz, so reduziert die Hydro MPC den Sollwert und damit gleichzeitig den Förderstrom. Während in normalen Fällen die Wassermangelsicherung die Druckerhöhungsanlage bei Vordrücken unter 1 bar abschaltet (wie es die DIN 1988 vorgibt), fördert die Hydro MPC mit einer reduzierten Leistung weiter. Bei Systemen mit langen Zubringerleitungen berücksichtigt die MPC-Steuerung den differierenden Druckverlust bei veränderlichem Volumenstrom (Proportionaldruckregelung). Zum Schutz des Rohrnetzes und um einen Rohrbruch im Verteilersystem schnell anzuzeigen, kann der Betreiber den Systemdruck mithilfe frei einstellbarer Werte überwachen. Ein integrierter VNC-Server ermöglicht ohne zusätzliche Hard- oder Software den Fernzugriff auf das System.

Bei der Ausführung MPC-E sind alle Pumpen mit einem integrierten Frequenzumformer ausgestattet (bis 22 kW). Die Kommunikation zwischen Steuerung und Pumpen erfolgt allein über eine dreiadrige Busleitung. So kann beim Zu- oder Abschalten die Drehzahl jeder einzelnen Pumpe variiert werden. Vorteilhaft ist die sehr hohe Druckkonstanz; selbst bei veränderlichen Systemparametern wird das Rohrnetz geschont.

Die Variante MPC-S führt die Pumpen über eine druckabhängige Kaskadensteuerung. Diese Variante bietet sich in der Wasserversorgung, z. B. für das Füllen von Wasserspeichern, oder für industrielle Anwendungen ohne erhöhte Anforderungen an die Druckkonstanz an.