1. Einleitung Pumpen, die in Branchen wie Metallurgie, Chemie, Energieerzeugung, Wasserversorgung und Bergbau weit verbreitet sind, sind für etwa 40 % des gesamten Energieverbrauchs elektrischer Anlagen verantwortlich. In Wasseraufbereitungsanlagen können die Stromkosten sogar 50 % der Wasserproduktionskosten ausmachen. Dies liegt zum einen daran, dass Anlagen üblicherweise mit einer gewissen Sicherheitsmarge ausgelegt werden, zum anderen daran, dass Pumpen aufgrund von Änderungen der Betriebsbedingungen unterschiedliche Fördermengen liefern müssen. Mit der Entwicklung der Marktwirtschaft und der Verbesserung von Automatisierung und intelligenter Technologie ist der Einsatz von Hochspannungs-Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Pumpen nicht nur vorteilhaft für die Prozess- und Produktqualität, sondern erfüllt auch die Anforderungen an Energieeinsparung und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb und ist ein unvermeidlicher Trend für eine nachhaltige Entwicklung. Die Vorteile der Drehzahlregelung von Pumpen sind vielfältig. Anwendungsbeispiele zeigen, dass die meisten gute Ergebnisse erzielt haben (teilweise mit Energieeinsparungen von bis zu 30–40 %), die Wasserproduktionskosten in Wasseraufbereitungsanlagen deutlich gesenkt, der Automatisierungsgrad erhöht, der druckreduzierte Betrieb von Pumpen und Rohrleitungen erleichtert, Leckagen und Rohrbrüche reduziert und die Lebensdauer der Anlagen verlängert wird. 2. Durchflussregelungsverfahren und -prinzipien für Pumpenlasten. Pumpenlasten werden typischerweise über den Durchfluss der geförderten Flüssigkeit geregelt. Daher sind Ventil- und Drehzahlregelung gängige Verfahren. 2.1 Ventilregelung. Bei diesem Verfahren wird der Durchfluss durch Änderung der Öffnung des Auslassventils geregelt. Es handelt sich um ein seit Langem etabliertes mechanisches Verfahren. Die Ventilregelung beruht im Wesentlichen auf der Änderung des Durchflusses durch Veränderung des Strömungswiderstands in der Rohrleitung. Da die Pumpendrehzahl konstant bleibt, bleibt auch die Förderhöhenkennlinie H-Q unverändert (siehe Abbildung 1). Der Wechselrichter ist nach den induktiven Elementen im Zwischenkreis benannt. Zu seinen Vorteilen zählen der Vierquadrantenbetrieb und die einfache Motorbremsung. Nachteile sind die notwendige Zwangskommutierung der Wechselrichterbrücke, der komplexe Geräteaufbau und die schwierige Justierung. Da netzseitig eine Thyristor-Phasenschiebergleichrichtung verwendet wird, sind die Oberschwingungen des Eingangsstroms relativ hoch, was bei großen Anlagen die Netzstabilität beeinträchtigen kann. Wie in Abbildung 1 und 3 dargestellt, schneidet die Kennlinie des Rohrwiderstands R1-Q die Kennlinie der Förderhöhe H-Q bei vollständig geöffnetem Ventil im Punkt A. Der Volumenstrom beträgt dann Qa und die Förderhöhe am Pumpenausgang Ha. Bei leicht geschlossenem Ventil ändert sich die Kennlinie des Rohrwiderstands zu R2-Q, und ihr Schnittpunkt mit der Kennlinie der Förderhöhe H-Q verschiebt sich zu Punkt B. Der Volumenstrom beträgt nun Qb, und die Förderhöhe am Pumpenausgang steigt auf Hb. Die Förderhöhenzunahme beträgt: ΔHb = Hb - Ha. Der im schattierten Bereich dargestellte Energieverlust beträgt somit: ΔPb = ΔHb × Qb. 2.2 Drehzahlregelung: Der Volumenstrom wird durch Änderung der Pumpendrehzahl angepasst. Dies ist eine fortschrittliche elektronische Regelungsmethode. Die Drehzahlregelung beruht im Wesentlichen darauf, den Volumenstrom durch Änderung der Energie der geförderten Flüssigkeit zu verändern. Da sich nur die Drehzahl ändert, bleibt die Ventilöffnung unverändert (siehe Abbildung 2), und die Kennlinie des Rohrwiderstands R1-Q bleibt ebenfalls unverändert. Bei Nenndrehzahl schneidet die Kennlinie Ha-Q die Kennlinie des Rohrwiderstands im Punkt A. Der Volumenstrom beträgt Qa und die Förderhöhe Ha. Mit sinkender Drehzahl ändert sich die Kennlinie zu Hc-Q, ihr Schnittpunkt mit der Kennlinie des Rohrwiderstands R1-Q verschiebt sich nach unten zu Punkt C, und der Volumenstrom sinkt auf Qc. Wird der Volumenstrom Qc nun durch eine Ventilsteuerung auf Qb geregelt, reduziert sich die Förderhöhe am Pumpenausgang auf Hc. Im Vergleich zur Ventilsteuerung ergibt sich somit eine Reduzierung der Förderhöhe um ΔHc = Ha - Hc. Die Energieeinsparung beträgt ΔPc = ΔHc × Qb. Im Vergleich zur Ventilsteuerung ergibt sich eine Energieeinsparung von P = ΔPb + ΔPc = (ΔHb - ΔHc) × Qb. Diese Energieeinsparung wird durch den schattierten Bereich in Abbildung 2 dargestellt. Im Vergleich der beiden Methoden zeigt sich, dass die Drehzahlregelung bei gleicher Durchflussmenge den Energieverlust durch den Anstieg von Förderhöhe und Rohrwiderstand bei Ventilsteuerung vermeidet. Bei sinkender Durchflussmenge bewirkt die Drehzahlregelung eine deutliche Reduzierung der Förderhöhe, wodurch der Leistungsverlust im Vergleich zur Ventilsteuerung wesentlich geringer ausfällt und somit eine optimale Leistungsausnutzung ermöglicht wird. 2.3 Analyse des Pumpenwirkungsgrades bei variabler Drehzahl Die Kennlinie des Pumpenwirkungsgrades η-Q ist in Abbildung 3 dargestellt. Mit sinkender Drehzahl verschiebt sich der hocheffiziente Bereich der Pumpe nach links. Dies zeigt, dass die Drehzahlregelung auch bei niedrigen Drehzahlen und geringen Durchflussmengen einen effizienten Pumpenbetrieb gewährleistet. 3. Untersuchung von Wasserversorgungsmethoden mit Frequenzumrichterregelung In einem Wasserversorgungssystem mit mehreren Entnahmestellen und Pumpstationen ist es notwendig, die Förderhöhe am Pumpstationsausgang zu regeln, um sich an das Rohrnetz anzupassen und bessere Systemleistungskennzahlen zu erzielen. Dies lässt sich in Konstantdruck-, Variabeldruck- und zeitsegmentierte Variabeldruckversorgung unterteilen. 3.1 Konstantdruck-Wasserversorgung Die Aufrechterhaltung eines konstanten Förderdrucks am Pumpstationsausgang ist das Regelungsziel dieses Systems. In Abbildung 4 ist der vorgegebene Förderdruck Hg. Ändert sich der Durchfluss Q, führt die Änderung der Drehzahl zu einer vertikalen Verschiebung der Förderdruckkennlinie H1-Q, und der Betriebspunkt der Pumpe verschiebt sich horizontal entlang der Linie H=Hg (A, B, C, D). Obwohl dies die Durchflussanforderung erfüllt, führt die steilere Steigung der Rohrwiderstandskennlinie R zu Energieverlusten. Konstantdruck-Wasserversorgungssysteme sind relativ einfach zu implementieren und lassen sich problemlos in mittelgroße und große Rohrleitungsnetze mit mehreren Pumpstationen integrieren. Sie bieten eine gewisse Flexibilität und Praktikabilität, weshalb einige Wasserwerke mit drehzahlvariablen Pumpen diese Methode bevorzugen. Bei Konstantdruckregelung bleibt der Förderdruck am Pumpstationsausgang jedoch konstant, wodurch eine Diskrepanz zwischen der Parallelkennlinie der Pumpe und der tatsächlichen Lastkennlinie entsteht. Dies führt im Vergleich zu drehzahlvariablen Wasserversorgungssystemen zu geringeren Energieeinsparungen. 3.2 Methode der variablen Druckwasserversorgung: Um Energie zu sparen, sollte die Druckhöhe am Auslass bei sinkendem Durchfluss reduziert (oder zumindest nicht erhöht) werden. In diesem Fall kann am Pumpstationsausgang eine Methode der variablen Druckwasserversorgung eingesetzt werden (siehe Abbildung 5). In der Abbildung verschiebt sich die Druckkennlinie mit sinkender Drehzahl nach unten und schneidet die Rohrwiderstandskennlinie R1-Q im Punkt C. Der Durchfluss sinkt von Qa auf Qc (unter der Annahme, dass der Durchfluss Qc gleich Qb bei konstanter Druckregelung ist). Die variable Druckregelung erzeugt eine größere Druckdifferenz H = Hac und spart somit Energie (siehe schattierte Fläche in Abbildung 5). Durch die reduzierte Druckhöhe am Auslass werden Verluste aufgrund von Änderungen der Rohrwiderstandskennlinie und zusätzliche Pumpenverluste minimiert, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt. 4. Fazit: Die Analyse zeigt, dass der Frequenzumrichter die Wasserversorgungsmethode bei der Drehzahlregelung der Pumpe optimieren und so bessere Energieeinsparungen erzielen kann. Zugehörigkeit des Autors: JZE Company Adresse: Nr. 162, Haping Road, Nangang District, Harbin 150081 E-Mail: [email protected]