Eine Pumpe ist eben mehr als ­eine Pumpe. Bei der Energie­optimierung kommt es auf das gesamte System an, nicht nur auf einzelne Komponenten.

Eine Pumpe ist eben mehr als ­eine Pumpe. Bei der Energie­optimierung kommt es auf das gesamte System an, nicht nur auf einzelne Komponenten. Andrei Merkulov – Fotolia.com

Planer sagen „Sicher ist sicher!“ und packen bei der Auslegung von Pumpen, Ventilen und Rohrleitungssystemen ordentliche Reserven drauf. Wenn gleich mehrere Planer für die einzelnen Gewerke zugange sind, werden Anlagenteile meist überdimensioniert. Bei Regelstrecken mit Stellventil und drehzahlgeregelter Pumpe kommt heute noch ein weiteres Phänomen hinzu: Zwei Stellglieder in einem Regelkreis können entweder zu Latenzen führen oder gegeneinander arbeiten und aufschwingen. Samsomatic plant deshalb Fördersysteme, bestehend aus drehzahlgeregelter Pumpe, Stellventil und Regler aus einer Hand – und hat das Know-how in der kürzlich vorgestellten Flow Unit zusammengeführt. Soll eine Anlage energetisch optimiert werden, reicht ein Blick auf die Einzelkomponenten nicht aus. Erst eine Optimierung des gesamten Systems führt zu einem energieoptimalen Betrieb.

Um beispielsweise Druck und Durchfluss in einem Fördersystem optimal an den Bedarf anzupassen, werden heute immer häufiger drehzahlgeregelte Pumpen eingesetzt. Dadurch lässt sich der Energiebedarf gegenüber einfachen Pumpsystemen, bei denen die Pumpe mit konstanter Drehzahl läuft und der Durchfluss über ein Ventil geregelt wird, deutlich verringern. Mit der Kombination aus Frequenzumrichter-Antrieb an der Pumpe und ­einem Stellventil in der Förderleitung können Druck und Durchfluss energetisch optimal an den Bedarf angepasst werden.

Die energetische Optimierung von Fördereinrichtungen kann nur mit Blick auf das ­Gesamtsystem gelingen. Dieses anschlussfertige Komplettsystem wird aus einer Hand für eine konkrete Anwendung ­geplant.

Die energetische Optimierung von Fördereinrichtungen kann nur mit Blick auf das ­Gesamtsystem gelingen. Dieses anschlussfertige Komplettsystem wird aus einer Hand für eine konkrete Anwendung ­geplant. Samsomatic

Doch die Lösung hat ihre Tücken, weiß Stefan Unland, verantwortlich für den ­Bereich Prozessautomation, beim Regeltechnik-Spezialisten Samsomatic: „Für das System, bestehend aus Regelventil und drehzahlgeregelter Pumpe, gibt es unzählige Varianten. Dazu kommt, dass der Wirkungsgrad einer Pumpe je nach Arbeitspunkt unterschiedlich hoch ist. Das gilt auch für einen Elektromotor. Und auch der Druckverlust eines Ventils hängt von dessen Öffnungsgrad ab.“ Deshalb, so Unland, ist die Abstimmung der Komponenten sehr anspruchsvoll.

Bei schnellen Änderungen im Prozess kann ein Regelkreis anfangen zu schwingen. Um dies zu vermeiden, kann man die Regelung zwar träge einstellen, doch dies führt dazu, dass Regelabweichungen über lange Zeit bestehen. „Ausgelegt werden solche Regelungen meistens nach den Angaben für den Nennbetrieb – im Teillastbetrieb sieht das ganz anders aus“, weiß Unland.

Regelalgorithmus bringt drehzahlveränderliche Pumpe und Stellventil in Einklang

Rohrleitungs- und Instrumentierungsschema der Fördereinheit: Der Industrieregler (2) wird von zwei Druckmessumformern geführt und regelt die Drehzahl der Pumpe (3) sowie das Stellventil (1).

Rohrleitungs- und Instrumentierungsschema der Fördereinheit: Der Industrieregler (2) wird von zwei Druckmessumformern geführt und regelt die Drehzahl der Pumpe (3) sowie das Stellventil (1). Samsomatic

Der Lösungsanbieter aus Frankfurt hat zur Lösung des Problems gemeinsam mit Samson ein Komplettsystem entwickelt und auf der Namur-Hauptsitzung im vergangenen November vorgestellt. In der Flow Unit kombiniert der Anbieter eine drehzahlgeregelte Kreiselpumpe mit einem Stellventil und einem speziell dafür entwickelten Industrieregler. Die Zusammenstellung wird vom Anbieter so ausgelegt, dass Kreiselpumpe, Stellventil und Regler nicht gegeneinander, sondern optimal miteinander arbeiten: Der Regelalgorithmus passt die Drehzahl der Pumpe den aktuellen Anforderungen der Anlage an und kann durch Regeln des Stellventils sowohl auf dynamische Laständerungen reagieren sowie beliebige Drücke und Durchflüsse einstellen. Dazu werden vom Regler zwei Druckmessungen am Ein- und Austritt des Stellventils ausgewertet. Soll der Durchfluss geregelt werden, dient als Stellgröße das Messsignal eines Durchfluss-Messgeräts, sodass sich damit der Durchfluss ermitteln und auch regeln lässt. „Wir passen die Regelstruktur der Flow Unit jeweils der geforderten Aufgabenstellung an“, erläutert Unland.

Jährlich 8.760 Euro gespart

In einem Beispiel hat sich bereits gezeigt, wie hoch das Potenzial einer solchen Systemregelung sein kann: In einem Heizkraftwerk wurde die Erneuerung einer Kühlwasserversorgung geplant. Aus den Betriebsdaten ging hervor, dass die Dampfumformung der dazu gehörenden Turbinen-Bypassstation nur selten benötigt wurde.

Kennlinie einer Kühlwasserversorgung in ­einem Heizkraftwerk (elektrische Leistung PM gegen Förderleistung Q): Durch Flow-Unit-Regler und Frequenzumrichter (grüne Linie) sind gegenüber dem bisherigen Betrieb (rote Linie) Einsparungen möglich.

Kennlinie einer Kühlwasserversorgung in ­einem Heizkraftwerk (elektrische Leistung PM gegen Förderleistung Q): Durch Flow-Unit-Regler und Frequenzumrichter (grüne Linie) sind gegenüber dem bisherigen Betrieb (rote Linie) Einsparungen möglich. Samsomatic

Die daraus resultierende geringe Auslastung der Kühlwasserversorgung stand im Widerspruch zu den gemessenen hohen elektrischen Verbrauchswerten der Pumpe, denn diese waren über einen langen Zeitraum hinweg konstant hoch. Die Gesamtkapazität der Kühlwasserversorgung lag bei maximal 70 m3/h. Ferner musste der Druck auf mindestens 7 bar gehalten werden, um den Höhenunterschied zwischen Kühlwasserversorgung und den Verbrauchern auszugleichen und um den Dampfdruck innerhalb der Turbinen-Bypassstation überwinden zu können. Bei einem Einsatz der Flow Unit beträgt das Einsparpotenzial über einen weiten Lastbereich hinweg mehr als 10 kW. Bei einem Strompreis von 0,10 Euro/kWh und einem 24/7-Betrieb können jährlich 8.760 Euro Energiekosten eingespart werden. Die Investition in den Regler und in einen zum Pumpenmotor passenden Frequenzumrichter amortisiert sich in relativ kurzer Zeit. „Es gibt auch in der Chemie sehr viele Anlagen, die bislang nicht energetisch optimiert wurden“, weiß Unland. „Dazu gehören beispielsweise Mehrproduktanlagen und Batch-Prozesse.“

Interview mit Stefan Unland, Samsomatic

„Einzelelemente in einen Funktionszusammenhang stellen“

Dass Energieoptimierung beim Gesamtsystem und nicht bei Einzelkomponenten ansetzen muss, ist als Erkenntnis nicht neu. Worin besteht also der Ansatz Ihrer Flow-Unit-Lösung?
Pumpen, Ventile, Rohrleitungen und Automatisierung einer Anlage werden heute meist in unterschiedlichen Schritten geplant und ausgelegt. Häufig sind diese schlecht aufeinander abgestimmt. Teil eins unserer Lösung ist die Zusammenlegung der bislang getrennten Auslegung einzelner Anlagenkomponenten. Der zweite Teil beruht auf einem neuartigen Zusammenwirken von Stellventilen und Pumpen. Hierdurch ist es möglich, sowohl die bewährte Regelperformance von Stellventilen als auch die Energieeinsparmöglichkeiten von drehzahlgeregelten Kreiselpumpen gemeinsam zu nutzen. Ein Industrieregler koordiniert das Zusammenwirken, welches im Rahmen der Inbetriebnahme letztendlich optimal an den Prozess angepasst wird.

Wie fügt sich dieses Angebot in den Planungs- und Engineeringprozess ein?
Natürlich erfordert dieses Angebot gegenüber der klassischen Vorgehensweise ein Umdenken. Aber sowohl Planungsbüros als auch Kunden sind froh, wenn wir die Planung der Fördereinrichtung übernehmen, zumal deren Personalkapazität, als auch die zeitlichen Vorgaben für solche Aufgaben immer knapper werden. Die von uns geplante Einheit kann von den Kunden wie ein Ventil in die Rohrleitung eingebaut werden.

Also ein Lösungspaket, aber kein Standardprodukt?
Richtig, in Bezug auf die Anpassung des Paketes an die jeweilige Anwendung, denn erfahrungsgemäß gleicht keine Anlage der anderen. Andererseits verwenden wir sehr wohl Standardprodukte, die sich bei unseren Kunden bewährt haben. Am besten lässt sich das Paket mit einem Baukastensystem vergleichen, dessen Bestandteile aus bekannten MSR-Geräten bestehen, das aber auch flexibel genug ist, um es an unterschiedliche Erfordernisse anpassen zu können.