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Fachbeitrag von André Vennemann

Das Temperieren einzelner Verfahrensschritte zählt zu den Grundaufgaben in der Prozessindustrie. Mit vernetzten drehzahlregelbaren Pumpen 4.0 kann der Betreiber manche Prozesse durch das Reduzieren von Regelarmaturen stabiler fahren (Stichwort: sinkende Komplexität) und die Anlage in Summe kostengünstiger betreiben. Zwei Beispiele zeigen das.

Alle Welt spricht derzeit über die Chancen und Möglichkeiten, die durch die Nutzung von ‚Künstlicher Intelligenz‘ (KI) schon heute verfügbar sind und sich zukünftig noch ergeben werden. Vergessen wird dabei zumeist, dass ein KI-System zunächst trainiert werden muss, es also menschliches Experten-Know-how nutzt und auswertet – das Wissen erfahrener Praktiker. Das gilt grundsätzlich auch für smarte Pumpen: Deren zugrunde liegenden Algorithmen (Programmanweisungen, Handlungsvorschriften) schaffen sich nicht selbst, sie werden von kreativen Menschen programmiert. Wenn das Potential solcher Pumpen 4.0 von besonders kreativen Planern voll ausgereizt wird, resultiert das in überraschend eleganten und kostengünstigen Lösungen. Im Folgenden werden zwei solcher Best Practice-Beispiele vorgestellt. Nachahmung dringend empfohlen!

Abb. 1 Kältepumpen der Baureihe NK.

Praxis-Beispiel 1: Kälte mit weniger Energie erzeugen

Hocheffizienzpumpen in der Kälteerzeugung / Kälteversorgung wie Norm- und Blockpumpen NKE bzw. NBE und Inlinepumpen TPE arbeiten mit einem drehzahlregelbaren MGE-Motor der 3. Generation (Leistung derzeit bis 11 kW mit IE5-Klassifizierung) nicht nur äußerst sparsam, sie reagieren mit smarten Sensoren zudem auf kleinste Veränderungen in der Anlagentechnik, greifen aktiv in das Geschehen ein. Zudem sorgen intelligente Regelungsmodi für eine gesicherte Integration in Versorgungs-Kreisläufe. Wenn Hydraulik, Antrieb und MSR-Technik in dieser Weise bestmöglich aufeinander abgestimmt sind, nennt Grundfos das ‚iSolutions‘.

Abb. 2 TPE-Pumpen in der Kühlwasserversorgung.

Bei kleinen und/oder selten verwendeten Pumpen spielt Systemeffizienz keine so große Rolle. Doch Kühlpumpen zählen gewöhnlich zu den Aggregaten in einer Fabrik, die rund um die Uhr laufen. Das bedeutet, dass Kälteanwendungen erheblich von der Regelungsstrategie, der Systemeffizienz und dem Lastprofil beeinflusst werden.

In der Praxis finden sich viele Anlagen, wo die Systemkomponenten nicht besonders gut aufeinander abgestimmt sind: Der Betreiber kauft einen Kältekompressor bei dem einen Lieferanten, den Kühlturm bei einem anderen, dann die Pumpen beispielsweise bei Grundfos und sucht sich dann einen lokalen Anlagenbauer, der alles zusammenfügt. Wenn dieser dann wenig Erfahrung mit solchen Projekten hat, nicht weiß, wie sich die Einzelkomponenten optimal miteinander verbinden lassen, laufen dem Betreiber die Kosten davon.

Abb. 3 Der MGE-Permanentmagnet-Motor der 3. Generation (Leistung: bis 11 kW) wurde speziell für den Pumpenbetrieb und eine optimierte Drehzahlregelung entwickelt und bietet mit seiner IE5-Klassifizierung eine ausgezeichnete Energieeffizienz.

Hier kann der iSolutions-Ansatz bis zu 70 Prozent der Energiekosten sparen! Der einfache Grund: Grundfos ist schon seit Jahrzehnten im Geschäft, hat profunde Kenntnisse über Kühlanlagen und deren Regelung.

Industrielle Kälteanwendungen haben selten eine konstante Last. Betrachtet man als Beispiel einen standardmäßigen Wärmeübertrager, gibt es drei wesentliche Möglichkeiten, um die Temperatur zu regeln – jede Lösung verfolgt das gleiche Ziel: eine konstante Temperatur aus dem Wärmeübertrager aufrechtzuerhalten.

  • Variante 1 besteht aus einem Regulierventil und einer Pumpe, die konstant bei voller Drehzahl läuft.
  • Variante 2 reguliert die Temperatur ebenfalls mit einem Ventil; doch sie arbeitet mit einer Pumpe und einem externen Frequenzumrichter, um einen konstanten Differenzdruck aufrechtzuerhalten. Diese Lösung hat den Vorteil, überschüssigen Druck im System zu vermeiden und im Vergleich zum ersten Aufbau Energie zu sparen. Doch das Problem von Druckverlusten durch das Ventil besteht weiterhin und die Investitionskosten steigen, da sowohl ein Regulierventil als auch ein Frequenzumrichter erforderlich sind. Zudem wird das System komplexer, da man hier zwei Regulierungen hat, um auf einen Betriebspunkt zu kommen.
  • Variante 3 verfolgt einen direkteren Ansatz: Es ist kein Regulierventil erforderlich, da ein Sensor die Temperatur an der wichtigsten Stelle misst – also im Wärmeübertrager – und das Signal direkt an die Pumpe sendet, die über einen integrierten Frequenzumrichter verfügt. Die Pumpendrehzahl ändert sich abhängig davon, welcher Durchfluss benötigt wird, um die richtige Temperatur zu erhalten. Vorteil: Zusätzliche Schaltschränke für externe Umrichter entfallen ebenso wie Regulierventile; es sind also keine Druckverluste über das Ventil zu erwarten, die drehzahlregulierte Pumpe hält unabhängig von Lastschwankungen eine hohe Effizienz aufrecht und verbraucht weniger Energie.

Es ist zudem möglich, Temperaturdaten zu überwachen und zu speichern – besonders nützlich für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie und auch für pharmazeutische Unternehmen, in denen alles dokumentiert werden muss.

Bei Anlagen, in denen der Betriebspunkt konstant ist, funktionieren alle drei Strategien gleich gut. Doch wenn die Last verringert wird, bietet die direkte Temperaturregelung optimale Effizienz und Energieeinsparungen. Ausnahme: Muss die Pumpe mehr als einen Kühlkreislauf versorgen, versteht das System nicht, welche Pumpe es regulieren soll. Also ist in diesem Fall Variante 2 mit konstantem Differenzdruck zu wählen.

Praxis-Beispiel 2: Dampfversorgung mit direkter Füllstandsregelung

Abb. 4 Eine Dampfversorgung mit drehzahlgeregelten Pumpen und direkter Füllstandsregelung im Kessel reduziert die Anzahl der benötigten Anlagenkomponenten.

Eine Dampfversorgung mit drehzahlgeregelten Pumpen und direkter Füllstandsregelung im Kessel reduziert ebenfalls wie im ersten Beispiel die Anzahl der benötigten Anlagenkomponenten. Mit iSolutions werden einige Anlagenkomponenten und Leitungen überflüssig, da die Pumpe selbst für die Regelung sorgt und der Einbau von Ventilen entfällt. Da Komponenten entfallen (Ventile, Bypass-Leitungen, Mischkreise zur Begrenzung des Durchflusses) profitiert der Betreiber von reduzierten Energie- und Wartungskosten.

Eine solche Kesselspeiseanlage mit drehzahlgeregelten Pumpen und direkter Füllstandsregelung bietet diese Vorteile: Der Kesselfüllstand wird direkt durch drehzahlgeregelte Pumpen ohne Einsatz eines Speiseventils geregelt und bleibt konstant. Die Pumpenregelung erfolgt über einen auf dem Kessel montierten 4-20 mA-Füllstandsensor. Der Wasserzulauf wird kontinuierlich an den Dampfverbrauch angepasst. Die Pumpen fahren bei niedrigem Füllstand auf volle Drehzahl hoch und mit steigendem Füllstand herunter. Beim maximalen Füllstand stoppt der Pumpenbetrieb; es sind keine Bypass-Leitungen erforderlich.

Zum Einsatz kommen CR-Pumpen in Hochtemperaturausführung (‚Air-cooled Top‘): Eine luftgekühlte Wellendichtungskammer verhindert eine Beschädigung der Gleitringdichtung durch hohe Temperaturen und sorgt für eine gute isolierende Wirkung. Auf diese Weise sind keine externen Kühlmedien zum Abkühlen der Gleitringdichtung erforderlich. Diese Pumpen arbeiten zudem mit einem reduzierten NPSH-Wert: Mit einem überdimensionierten ersten Laufrad ausgestattet, können die CR-Pumpen einen schlechten Zulaufdruck und einen Warmwasserzulauf besser handhaben.

Fazit: Mag sein, dass ‚Künstliche Intelligenz‘ uns dereinst Aufgaben wie die Planung einer Anlage für die Prozessindustrie abnimmt. Dann werden Standard-Anlagen zur Regel werden. Für neuartige Lösungen wie hier vorgestellt sind kreative Planer gewiss noch lange Zeit gefragt. Smarte Planer und smarte Pumpen: Ein unschlagbares Team!

www.grundfos.de

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