Bei Kreiselpumpen lässt sich der Energieverbrauch erheblich senken, wenn das Aggregat drehzahlgeregelt ausgelegt ist. Der Schlüssel dazu ist ein mechatronisches Pumpenregelsystem.
Trotz des beachtlichen Einsparpotenzials haben integrale, drehzahlgeregelte Antriebe für Kreiselpumpen im industriellen Umfeld bisher kaum Einzug gehalten. Wird die Regelung des Antriebs notwendig, werden die drei Komponenten des Pumpensystems – Hydraulik, Motor und Antrieb – üblicherweise separat betrachtet und geplant.
Dabei erfolgt die Auslegung der Pumpe abhängig von Temperatur, Druck, Volumenstrom, Medium und eventuell anderer Parameter sowie Werksnormen und baulich-konstruktiver Vorschriften. Anschließend wird zur jeweiligen Hydraulik der passende Motor ausgewählt.
Das Pumpenaggregat ist Teil des Prozesses und wird an entsprechender Stelle im im Feld montiert und betrieben. Der Frequenzumformer dient als Antrieb des Pumpenmotors und wird motor- und anwendungsbezogen ausgewählt. Um dessen bestimmungsgemäße Montage und Funktion zu gewährleisten, ist oftmals ein zusätzlicher Schaltschrank erforderlich, was sich auf die Planungs-, Investitions- und Inbetriebnahmekosten auswirkt. Um diese gering zu halten, integriert KSB den Antrieb in das Pumpenaggregat. Dabei bleibt das Motorenfabrikat frei wählbar, um Werksnormen des Betreibers zu erfüllen.
Leicht ersichtlich ist es jedoch, dass die technischen Anforderungen an das Pumpenaggregat sehr unterschiedlich sein können, was eine große Variantenvielfalt an Pumpenausführungen notwendig macht. Diese Vielfalt kann unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nur schwerlich mit fertig vorkonfektionierten Komplettaggregaten abgedeckt werden. Um den Widerspruch zwischen unnötig hohen Kosten und der technisch bedingten notwendigen Variantenvielfalt aufzulösen, bietet KSB einbaufertige Komplettaggregate in vier Baugrößen für den Leistungsbereich 0,55 kW bis 45 kW mit durchgängigem Erscheinungsbild an, das für alle in den Werksnormen der Betreiber enthaltenen Motoren verwendbar ist.
Die Kombination von Hydraulik, Motor und Steuerung ist vom Pumpenhersteller exakt aufeinander abgestimmt und ermöglicht, diese platzsparend aufzustellen. Ein integrierter PI-Regler bearbeitet regelungstechnische Aufgaben wie Druck- oder Temperaturregelung. Die Sensorik ist teilweise im Pumpengehäuse enthalten oder durch intelligente Betriebspunktbestimmung überflüssig geworden. Der Antrieb erkennt einen angeschlossenen Drucksensor automatisch und fährt die Pumpe im Regelbetrieb selbstständig auf den entsprechenden Betriebspunkt. Durch den schonenden Betrieb verlängert sich die Lebensdauer der Pumpenaggregate und deren Lebenszykluskosten sinken.
Die drehzahlgeregelte Pumpe ist eine abgeschlossene Funktionseinheit mit schlanker, eindeutiger Schnittstelle zur Anlage. Die Verantwortung für das Zusammenspiel aller Komponenten und deren energieoptimiertem Betrieb geht vom Anlagenbauer auf den Pumpenhersteller über.
Auch bei einer Nachrüstung bereits bestehender ungeregelter Pumpenanlagen profitieren die Anlagenbauer vom reduzierten Installations- und Inbetriebnahmeaufwand. Der reduzierte Aufwand bei der Auslegung und der Wegfall der in der Regel geschirmten Verbindungsleitung zwischen Frequenzumrichter und Motor bringen Vorteile, welche die höheren Anschaffungskosten der Antriebsgruppe nach kurzer Zeit aufwiegen.
Durch Bezug des kompletten Pumpenaggregats mit integriertem Antrieb kann der für Standard-Frequenzumformer erforderliche Schaltschrank mit Montage- und Verkabelungsaufwand oft entfallen. Zudem sind die Daten handelsüblicher, nicht auf die Hydraulik abgestimmter Frequenzumformer oft ungenau, denn diese sind nicht speziell auf die hydraulischen Anwendungen abgestimmt. Spezialwissen zur Ermittlung und Interpretation der Informationen zum hydraulischen Zustand des Systems ist nicht mehr erforderlich.
Auch die Prüfung der Schnittstellen zwischen den Komponenten vor der Montage und bei der Installation entfällt. Zudem machen aufeinander abgestimmte Komponenten hydraulisches und elektrisches Fachwissen überflüssig. Alle zum Betrieb nötigen Parameter sind werksseitig voreingestellt.
Eine Kreiselpumpe wird energiesparend betrieben, wenn die Spannungs-Frequenz-Kennlinie des Antriebs auf eine quadratische Charakteristik eingestellt wird (siehe Grafik). In diesem Fall benötigt der Antrieb nur ein geringes Anlaufmoment – im Gegensatz zu anderen Anwendungen, wo der Antrieb hohe Anlaufmomente zur Verfügung stellen muss. Zusätzliche hydraulische Funktionen, wie die Kompensation der förderstromabhängigen Rohrreibungsverluste und ein sensorloser Trockenlaufschutz sowie die Ausgabe von Warnungen beim Durchfahren von Teillastgebieten schonen Pumpen und Anlagen.
Bis zu sechs mit PumpDrive ausgestattete Pumpen können ohne zusätzliche Hardware im Pumpenparallelbetrieb zusammenarbeiten. Dabei kommunizieren die Aggregate über eine Busleitung. Sie bekommen von einer als Master eingestellten Pumpe den zum Erreichen des gemeinsamen Sollwertes notwendigen Arbeitspunkt so vorgegeben, dass die komplette Anlage möglichst wenig Energie verbraucht. Eine Klartextanzeige auf der Bedieneinheit der Masterpumpe gibt, neben anderen Informationen über den Betriebszustand, den Förderstrom, die Förderhöhe und die Leistungsabgabe aller Aggregate Auskunft.
Joachim Diede KSB AG, Frankenthal
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