EP1936205A1 - Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats - Google Patents

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EP1936205A1
EP1936205A1 EP06026796A EP06026796A EP1936205A1 EP 1936205 A1 EP1936205 A1 EP 1936205A1 EP 06026796 A EP06026796 A EP 06026796A EP 06026796 A EP06026796 A EP 06026796A EP 1936205 A1 EP1936205 A1 EP 1936205A1
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EP
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pump
characteristic
control
speed
operating
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EP06026796A
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Heinz Dipl.-Phys. Bohn
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0066—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems by changing the speed, e.g. of the driving engine

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a variable speed centrifugal pump assembly with the features specified in the preamble of claim 1.
  • the characteristic curve of a pump indicates the behavior of the pump as a function of the operating conditions.
  • the effective pump characteristic can be varied within wide ranges by changing the speed.
  • a centrifugal pump due to the given mechanical / hydraulic conditions for each speed on a certain pump characteristic (throttle curve), which indicates the head depending on the flow rate.
  • throttle curve which indicates the head depending on the flow rate.
  • pump characteristics in which the delivery height decreases with increasing flow and which are referred to as stable. If, on the other hand, there are areas in which the delivery head increases with an increasing flow rate, this is called an unstable pump curve or throttle curve, which, in particular in conjunction with a flat pipe network characteristic, can result in no clear intersection between the pipe network characteristic and the pump characteristic but typically two intersections.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a variable speed centrifugal pump assembly with unstable pump characteristic that avoids the aforementioned disadvantages and in particular ensures that there is always only one intersection between the pump characteristic and system characteristic.
  • the speed-controllable centrifugal pump assembly is operated with unstable pump characteristic so that the effective pump characteristic is raised to lower delivery heights by increasing the speed so far that always results in only one intersection with the current pipe network characteristic.
  • the basic idea of the present invention is thus, only if, on the one hand, the system characteristic curve is relatively flat and the pump is to be operated in the range of small flow rates, the pump characteristic curve is raised by increasing the speed so that it is ensured even in this area that only a clear point of intersection with the system characteristic so the pipe network characteristic of the system in which promotes the centrifugal pump is given.
  • This method according to the invention is particularly advantageous, since it makes it possible to drive centrifugal pump units with unstable pump curve, possibly also in the per se unstable conveying region of the characteristic curve stable.
  • the raising of the speed to low flow rates advantageously by a controller (open loop), which raises the power consumption of the pump set to low heads.
  • a controller may also be provided which raises the rotational speed of the pump assembly to low delivery heights.
  • a controller may also be provided which raises the rotational speed of the pump assembly to low delivery heights.
  • control / regulation it is expedient for the aforementioned control / regulation that, if it takes place as a subordinate regulation or control, it takes place so quickly that when the delivery rate drops, the normally resulting unstable states of the pump are not reached at all. This can be ensured by the subordinate fast control being designed to be faster than the inertia of the conveyed liquid column. Then it is ensured that the increase in the speed always takes place before the delivery has dropped so far that an unstable operating state could result.
  • the speed of the control Since the required speed of the control is dependent on the inertia of the pumped liquid column, the speed of the control will have to be adjusted to this case in individual cases. In practice, however, it has been found that it is sufficient for almost all applications if the subordinate fast control / regulation has a time constant or control time constant of less than one second preferably less than 300 ms. The last-mentioned time constant is sufficient even with comparatively small tube lengths to safely master the aforementioned problem and, moreover, can be implemented with relatively little technical effort in terms of control / regulation.
  • a centrifugal pump 1 delivers from a storage tank 2, a liquid via a line 3 with the interposition of a check valve 4 and a check valve 5 in a container 6.
  • a height difference Hg1 is overcome, which substantially the height difference between the liquid surface 0 of the comparatively corresponding to the level fluctuation substantially constant storage tank 2 to the liquid surface 7 of the comparatively small container 6, which it is necessary to fill.
  • the centrifugal pump 1 - which is a variable-speed centrifugal pump with an unstable pump characteristic - conveys a large amount Flow rate Q up to a head Hg 1.
  • the valve 5 is closed with increasing reaching the level 7, whereby the flow rate decreases slowly.
  • the pipe network characteristic of Ra changes to Rb, etc., then adjust according to operating points c, d, e, f, g, h and i, the further the valve 5 is closed. Due to sinking liquid level from level 7 to the level 8 is then to be overcome head Hg2 significantly lower than before during subsequent opening of the valve 5, which is why the flow rate then either increased abruptly, or almost dried there, as the FIG. 1 shows, the pump characteristic 9 has at least with the pipe network characteristic Rb two points of intersection and it is not predictable which of the two operating points adjusts itself.
  • Such behavior is highly undesirable if steady and stable operation is to be achieved in a flow range that is skipped, as it were.
  • Such an operating state can occur, for example, when pumping water into a steam boiler (boiler feed application) while using waste heat to heat the feed water.
  • the effective pump curve 9 is raised to falling flow rates so far that instead of the in FIG. 3 With 9 marked course a course 9 'results in which it is ensured that only one intersection with the pipe network characteristic is always given.
  • the pipe network characteristic Rb is shown, which is almost horizontal and therefore particularly critical for this application.
  • the pipe network characteristic Rb can be detected in a manner known per se, so that the self-adjusting pipe network characteristics are stored in the control or regulation of the pump and corresponding Speed increases can be made only in this critical area, as determined by FIG. 3 is shown.
  • the pump side To increase the speed to falling flow rates out, it is necessary on the pump side to detect the flow rate - also called flow. This can be done either by suitable sensors by direct measurement, or preferably by indirect measurement based on the electrical variables of the pump driving the electric motor.
  • the delivery rate of the pump can be detected, at least in the region of instability of the pump characteristic, if, as is typically the case, the power consumption with the delivery rate increases or decreases severely monotonically.

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Abstract

Das Verfahren dient zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit instabiler Pumpenkennlinie (9) und zeichnet sich dadurch aus, dass die wirksame Pumpenkennlinie (9') zu geringen Fördermengen hin durch Drehzahlerhöhung so weit angehoben wird, dass sich nur ein Schnittpunkt mit der aktuellen Rohrnetzkennlinie (Rb) ergibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
  • Die Kennlinie einer Pumpe gibt das Verhalten der Pumpe in Abhängigkeit der Betriebsverhältnisse an. Bei modernen drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregaten kann die wirksame Pumpenkennlinie in weiten Bereichen durch Veränderung der Drehzahl variiert werden. Allerdings weist eine Kreiselpumpe aufgrund der gegebenen mechanisch/ hydraulischen Gegebenheiten zu jeder Drehzahl eine bestimmte Pumpenkennlinie (Drosselkurve) auf, welche die Förderhöhe in Abhängigkeit der Fördermenge angibt. Dabei gibt es Pumpenkennlinien, bei denen die Förderhöhe mit zunehmender Fördermenge abnimmt und die als stabil bezeichnet werden. Gibt es hingegen Bereiche, in denen die Förderhöhe mit größer werdender Fördermenge zunimmt, so spricht man von einer instabilen Pumpenkennlinie bzw. Drosselkurve, was insbesondere in Verbindung mit einer flachen Rohrnetzkennlinie dazu führen kann, dass sich kein eindeutiger Schnittpunkt zwischen Rohrnetzkennlinie und Pumpenkennlinie ergibt sondern typischerweise zwei Schnittpunkte. Dann jedoch kann der sich einstellenden Betriebspunkt sprunghaft ändern, was zu Schwingungen im System führen kann und höchst unerwünscht ist, da der sich einstellende Betriebspunkt nicht vorhersehbar ist. Andererseits jedoch haben Kreiselpumpen mit instabiler Pumpenkennlinie häufig einen besonders guten Wirkungsgrad, weshalb man dies bisher notgedrungen in Kauf nahm bzw. dafür Sorge getragen hat, dass die Pumpe nach Möglichkeit nicht in diesem instabilen Bereich arbeitete.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit instabiler Pumpenkennlinie zu schaffen, dass die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere sicherstellt, dass stets nur ein Schnittpunkt zwischen Pumpenkennlinie und Anlagenkennlinie gegeben ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird das drehzahlregelbare Kreiselpumpenaggregat mit instabiler Pumpenkennlinie so betrieben, dass die wirksame Pumpenkennlinie zu niedrigeren Förderhöhen hin durch Drehzahlerhöhung so weit angehoben wird, dass sich stets nur ein Schnittpunkt mit der aktuellen Rohrnetzkennlinie ergibt. Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es somit, nur dann, wenn nämlich einerseits die Anlagenkennlinie relativ flach ist und die Pumpe im Bereich kleiner Fördermengen betrieben werden soll, die Pumpenkennlinie durch Drehzahlerhöhung so anzuheben, dass auch in diesem Bereich sichergestellt ist, dass nur ein eindeutiger Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie also der Rohrnetzkennlinie des Systems, in dem die Kreiselpumpe fördert, gegeben ist.
  • Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da es ermöglicht, Kreiselpumpenaggregate mit instabiler Pumpenkennlinie ggf. auch in dem an sich instabilen Förderbereich der Kennlinie stabil zu fahren.
  • Das Anheben der Drehzahl zu niedrigen Fördermengen hin, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft durch eine Steuerung (open loop) erfolgen, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Förderhöhen hin anhebt.
  • Alternativ kann gemäß der Erfindung auch eine Steuerung vorgesehen sein, welche die Drehzahl des Pumpenaggregats zu geringen Förderhöhen hin anhebt. Eine solche gezielte Anhebung der Drehzahl ist zwar steuerungstechnisch aufwändiger als die Steuerung der Leistungsaufnahme, ermöglicht jedoch eine relativ genaue Abstimmung auf die aktuellen Anlagenanforderungen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, eine vorzugsweise untergeordnete Regelung (closed loop) vorzusehen, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Förderhöhen hin konstant regelt. Eine solche Regelung ist einfach zu realisieren und reicht in der Regel aus um das eingangs dargelegte Problem der instabilen Pumpenkennlinie zu vermeiden.
  • Zweckmäßig für die vorgenannte Steuerung/Regelung ist es, dass sie, wenn sie als untergeordnete Regelung oder Steuerung erfolgt, so schnell erfolgt, dass bei abfallender Fördermenge die sich normalerweise ergebenden instabilen Zustände der Pumpe gar nicht erst erreicht werden. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass die untergeordnete schnelle Steuerung/Regelung so ausgelegt ist, dass sie schneller als die Trägheit der geförderten Flüssigkeitssäule ist. Dann ist sichergestellt, dass die Anhebung der Drehzahl stets erfolgt, bevor die Fördermenge so weit abgefallen ist, dass sich ein instabiler Betriebszustand ergeben könnte.
  • Da die erforderliche Geschwindigkeit der Regelung abhängig von der Massenträgheit der geförderten Flüssigkeitssäule ist, wird die Geschwindigkeit der Regelung im Einzelfall hierauf abzustimmen sein. In der Praxis hat sich jedoch erwiesen, dass es für nahezu alle Anwendungsfälle ausreicht, wenn die untergeordnete schnelle Steuerung/Regelung eine Zeitkonstante bzw. Regelzeitkonstante von weniger als einer Sekunde vorzugsweise unter 300 ms aufweist. Letzt genannte Zeitkonstante genügt schon bei vergleichsweise geringen Rohrlängen um das vorgenannte Problem sicher zu beherrschen und ist zudem steuerungs/regelungstechnisch mit vergleichsweise geringen technischen Aufwand realisierbar.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
    • Figur 1
    zwei Rohrnetzkennlinien mit einer instabilen Pumpenkennlinie und die sich dabei ergebenden Betriebspunkte,
    Figur 2
    einen Hydraulikschaltplan einer Anlage, bei der sich die in Figur 1 dargestellten Betriebszustände einstellen,
    Figur 3
    eine instabile Pumpenkennlinie sowie die Anhebung dieser Pumpenkennlinie im instabilen Bereich,
    Figur 4
    eine Anhebung gemäß Figur 3 mit anderen Steuerungsverfahren.
  • Anhand von Figur 2 ist eine Fördersituation dargestellt, welche zunächst einmal die Problematik einer instabilen Pumpenkennlinie anhand eines praktischen Beispiels erläutern soll. Eine Kreiselpumpe 1 fördert aus einem Vorratstank 2 eine Flüssigkeit über eine Leitung 3 unter Zwischenschaltung eines Rückschlagventils 4 und eines Absperrventils 5 in einem Behälter 6. Zu Beginn des Fördervorgangs ist ein Höhenunterschied Hg1 zu überwinden, welcher im Wesentlichen der Höhendifferenz zwischen der Flüssigkeitsoberfläche 0 des vergleichsweise großen und damit hinsichtlich der Pegelschwankung im Wesentlichen als konstant anzusehenden Vorratstanks 2 zur Flüssigkeitsoberfläche 7 des vergleichsweise kleinen Behälters 6 entspricht, den es zu füllen gilt. Bei geöffnetem Ventil 5 fördert die Kreiselpumpe 1 - hierbei handelt es sich um eine drehzahlregelbare Kreiselpumpe mit instabiler Pumpenkennlinie - mit großer Fördermenge Q bis zu einer Förderhöhe Hg 1. Das Ventil 5 wird dabei mit zunehmendem Erreichen des Niveau 7 geschlossen, wodurch die Fördermenge langsam abnimmt. Diese Betriebspunkte sind in dem Diagramm gemäß Figur 1 mit a bzw. b gekennzeichnet.
  • Durch langsames Schließen des Ventils 5 ändert sich die Rohrnetzkennlinie von Ra auf Rb usw., es stellen sich dann entsprechend Betriebspunkte c, d, e, f, g, h und i ein, je weiter das Ventil 5 geschlossen wird. Aufgrund sinkenden Flüssigkeitsspiegels vom Niveau 7 auf das Niveau 8 ist beim nachfolgendem Öffnen des Ventils 5 die dann zu überwindende Förderhöhe Hg2 deutlich geringer als vorher, weshalb sich die Fördermenge dann entweder schlagartig erhöht, oder nahezu versiegt da, wie die Figur 1 zeigt, die Pumpenkennlinie 9 zumindest mit der Rohrnetzkennlinie Rb zwei Schnittpunkte hat und es nicht vorhersehbar ist, welche der beiden Betriebspunkte sich einstellt.
  • Ein solches Verhalten ist im hohen Maße unerwünscht, wenn ein stetiger und stabiler Betrieb in einem Fördermengenbereich erreicht werden soll, der hier sozusagen übersprungen wird. Ein solcher Betriebszustand kann beispielsweise auch beim Fördern von Wasser in einen Dampfkessel (Kesselspeiseanwendung) bei gleichzeitiger Nutzung von Abwärme zur Erwärmung des Speisewassers auftreten.
  • Um diesen unerwünschten Betriebszustand zu vermeiden wird die wirksame Pumpenkennlinie 9 zu fallenden Fördermengen hin soweit angehoben, dass sich statt des in Figur 3 mit 9 gekennzeichneten Verlaufs ein Verlauf 9' ergibt, bei dem sichergestellt ist, dass stets nur ein Schnittpunkt mit der Rohrnetzkennlinie gegeben ist. Bei der Darstellung nach Figur 3 ist zum Vergleich die Rohrnetzkennlinie Rb eingezeichnet, die nahezu horizontal und daher für diesen Anwendungsfall besonders kritisch ist. Die Rohrnetzkennlinie Rb als solche kann in an sich bekannter Weise erfasst werden, sodass in der Steuerung oder Regelung der Pumpe die sich einstellenden Rohrnetzkennlinien abgelegt und entsprechende Drehzahlanhebungen nur in diesem kritischen Bereich erfolgen können, wie dies anhand von Figur 3 dargestellt ist.
  • Für die Anhebung der Drehzahl zu abfallenden Fördermengen hin ist es pumpenseitig erforderlich, die Fördermenge - auch Förderstrom genannt - zu erfassen. Dies kann entweder durch geeignete Sensorik durch direkte Messung, oder aber bevorzugt durch indirekte Messung anhand der elektrischen Größen des die Pumpe antreibenden Elektromotors erfolgen. So kann durch Messung der elektrischen Leistungsaufnahme des Motors die Fördermenge der Pumpe zumindest im Bereich der Instabilität der Pumpenkennlinie erfasst werden, wenn, was typischerweise der Fall ist, die Leistungsaufnahme mit dem Förderstrom streng monoton steigt oder fällt.
  • Anhand von Figur 4 ist dargestellt, wie sich die Leistungsaufnahme des die Pumpe antreibenden Motors P in Abhängigkeit der Fördermenge (des Förderstromes) Q verändert. Besonders günstig ist es daher mit fallender Fördermenge die Leistungsaufnahme der Pumpe konstant zu regeln, wie dies in Figur 4 anhand des Kurventeils 10' dargestellt ist. Die Leistungsaufnahme konstant zu regeln ist technisch in einfacher Weise realisierbar und bewirkt den anhand von Figur 3 beschriebenen Effekt, dass die Pumpenkennlinie 9 im Bereich kleiner werdender Fördermengen Q angehoben wird.
  • Die Erhöhung der Drehzahl bei fallender Fördermenge Q bzw. die entsprechende Absenkung der Drehzahl bei steigender Fördermenge Q erfolgt dabei stets so schnell, dass die Massenträgheit der im Rohrsystem befindlichen und von der Pumpe geförderten Flüssigkeit so groß ist, dass die Anhebung der Drehzahl erfolgt ist, bevor sich ein instabiler Betriebspunkt K überhaupt einstellen kann. Bei wenigen Metern Leitungslänge genügen hier Zeitkonstanten bzw. Regelzeitkonstanten von 300 ms, üblicherweise reichen jedoch Zeitkonstanten bzw. Regelzeitkonstanten, die kleiner als eine Sekunde sind, aus.
    • Bezugszeichenliste
    • 0
    Flüssigkeitsniveau im Tank 2
    1
    Kreiselpumpe
    2
    Vorratstank
    3
    Leitung
    4
    Rückschlagventil
    5
    Absperrventil
    6
    Behälter
    7
    Niveau 1
    8
    Niveau 2
    9
    Pumpenkennlinie
    10
    Leistungskennlinie
    9'
    angehobene Pumpenkennlinie
    10'
    etwa konstante Leistung
    Hg1
    Förderhöhe
    Hg2
    Förderhöhe

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats mit instabiler Pumpenkennlinie, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Pumpenkennlinie zu niedrigen Fördermengen hin durch Drehzahlerhöhung soweit angehoben wird, dass sich nur ein Schnittpunkt mit der aktuellen Rohrnetzkennlinie ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (open loop) vorgesehen ist, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Fördermengen hin anhebt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, welche die Drehzahl des Pumpenaggregats zu geringen Fördermengen hin anhebt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise untergeordnete Regelung vorgesehen ist, welche die Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats zu geringen Fördermengen hin konstant regelt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise untergeordnete Steuerung/Regelung so ausgelegt ist, dass sie schneller als die Trägheit der geförderten Flüssigkeitssäule ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung/Regelung eine Zeitkonstante/Regelzeitkonstante von weniger als einer Sekunde, vorzugsweise unter 300 ms aufweist.
EP06026796A 2006-12-22 2006-12-22 Verfahren zum Betreiben eines drehzahlregelbaren Kreiselpumpenaggregats Withdrawn EP1936205A1 (de)

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