Die heutige Automatisierungstechnik bietet die Möglichkeit, Prozesse in Anlagen aufgrund gegebener Randbedingungen effizient und optimiert zu betreiben. Durch maßgeschneiderte Steuerstrategien kann in drehzahlregelbaren Pumpensystemen der Energiebedarf reduziert und folglich die Kosten für die Betreiber eingespart werden. Für verschiedene Anwendungen bieten sich verschiedene Regelmöglichkeiten an. Dies sind hauptsächlich Druck, Volumenstrom sowie Füllstände, Temperaturen und Mengen. In diesem Themenschwerpunkt werden Steuerungen entwickelt, welche derartige Anlagen optimal unter Anbetracht der Energieeffizienz betreiben können.

Energieflussdiagram eines Pumpenantriebs
Abbildung 1: Energieflussdiagram eines Pumpenantriebs

Motivation

Einen großen Anteil am elektrischen Energiebedarf in Industrienationen besitzen Pumpensysteme (bis zu 20 %). In Deutschland verursachen Pumpen ca. 12 % des gesamten Stromverbrauchs. Weltweit betrachtet zählen Pumpen ebenfalls zu den großen Verbrauchern. Schätzungen zufolge beläuft sich der weltweite Energiebedarf der Trinkwasserversorgung auf 7 %, wobei hiervon wiederum bis zu 90 % auf die Förderung und Verteilung selbst entfallen. Auch wenn der immer wieder zu lesende geschätzte Anteil am weltweiten elektrischen Energiebedarf von 20 % durch den Betrieb von Pumpen etwas hochgegriffen erscheint, lässt diese Zahl doch Rückschlüsse über die enorme installierte Pumpenleistung zu. Wird die installierte Leistung betrachtet, kann durch verbesserte Betriebsweise ein gewaltiger Hebeleffekt bei effizienzsteigernden Maßnahmen, wie durch eine optimierte Drehzahlregelung, erwartet werden. In Abbildung 1 ist ein entsprechendes Energieflussdiagramm von der elektrischen Energie bis hin zur hydraulischen Energie dargestellt.

Für die Entwicklung von Regel- und Steueralgorithmen sind Modelle notwendig, welche das transiente aber auch das stationäre Verhalten von Pumpen und Rohrsystemen abbilden zu können. Hierzu kann zum einen auf die bestehende Infrastruktur am Stammgelände der TH Nürnberg zurückgegriffen werden. Im Turbomaschinenlabor befindet sich ein Kreiselpumpenversuchsstand, welcher sich aufgrund seiner relativ langen Rohrgeometrie für dynamische Versuche sehr gut eignet (Abbildung 2). Hier kann auch das Beschleunigungsverhalten von Fluidsäulen durch Kreiselpumpen untersucht werden. Zum anderen ist am Nuremberg Campus of Technology ein Versuchsstand in Betrieb, mit welchem weiterführende Modelle verifizierbar sind und an welchem Regelalgorithmen getestet werden können (Abbildung 3).

Pumpenversuchsstand im Turbomaschinenlabor
Abbildung 2: Pumpenversuchsstand im Turbomaschinenlabor

 

 

Pumpenversuchsstand am NCT
Abbildung 3: Pumpenversuchsstand am NCT

 

 

Modellbildung und Regelungstechnik

Im industriellen Umfeld werden Kreiselpumpensysteme üblicherweise anhand ihrer H-Q-Kennlinien charakterisiert, um so den entsprechenden Betriebspunkt (Arbeitspunkt: AP) berechnen zu können. Es ist jedoch so, dass ebensolche Kennlinien lediglich für den stationären Fall, also den eingeschwungenen Ruhezustand des Systems, gelten. Dennoch können sich auch bei der Berechnung der stationären Punkte im realen Pumpensystem erhebliche Abweichungen zu den vom Hersteller je Pumpe mitgelieferten Kennlinien ergeben. Weiterlesen...

Blockschaltbild eines Kreiselpumpensystems

Steigerung der Energieeffizienz durch adaptive Betriebsführung

Adaptive Pumpensteuerungen bieten sich genau dann an, wenn mehrere Freiheitsgrade in den Betriebsmöglichkeiten bestehen. Dies ist primär bei parallel oder in Reihe verschalteten Pumpen bzw. bei Füllvorgängen von Fluidspeichern oder Druckbehältern der Fall. Kombinationen dieser Anlagentopologien haben indes noch einen weiteren Freiheitsgrad für die Fahrweise von Pumpen. Zusätzliche Freiheitsgrade bei der Optimierung sind Zeitvorgaben oder sich ändernde Fluideigenschaften. Weiterlesen...

Erlaubter Arbeitsbereich zur autonomen Betriebspunktsuche einer Kreiselpumpe