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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung beansprucht den Vorteil einer vorläufigen Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 60/780,529, eingereicht am 8. März 2006 unter dem Titel „Method for Pump Protection Without the Use of Traditional Sensors” (911-2.22-1/05GI002) und bezieht sich auch auf die vorläufige Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 60/780,546, eingereicht am 8. März 2006 unter dem Titel „Method for Determining Pump Flow Without Traditional Sensors” (911-2.24-1/05GI003). Diese beiden vorläufigen Patentanmeldungen werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier einbezogen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pumpensystem mit einer Pumpe einschließlich einer Kreiselpumpe, genauer auf ein Verfahren und Vorrichtungen für den Pumpenschutz ohne den Einsatz traditioneller Sensoren.
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2. Kurze Beschreibung der verwandten Technik
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Sonstige ähnliche Geräte und ihre Nachteile sind wie folgt:
US 7 080 508 B2 legt ein Verfahren und Vorrichtungen für den drehmomentgeregelten Pumpenschutz mit Ausgleich des mechanischen Verlustes offen, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird und das eine Steuerlogik vorsieht, die unter Verwendung des Rückführsignals von Drehmoment (oder Leistung) und Drehzahl unerwünschte Betriebsbedingungen erkennt und die geeignete Reaktion im Betrieb herbeiführt, um den angetriebenen Ausrüstungsgegenstand (Kreiselpumpe) vor Schaden zu schützen. Die Logik kann in einen drehzahlveränderbaren Antrieb oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) eingebettet werden. Dieses Verfahren kann jedoch auf Pumpen beschränkt werden, deren Leistungskurven von einem Zustand mit geschlossenem Ventil an konstant steigen. Diese Pumpen haben meist eine spezifische Drehzahl von 2000 und darunter. Um die Genauigkeit über einen breiten Drehzahlbereich aufrecht zu erhalten, erfordert dieses Verfahren die manuelle Eingabe von Leistungsverlusten, die nach den Affinitätsgesetzen unberücksichtigt bleiben.
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Außerdem sind folgende Geräte bekannt, die allesamt nicht über eine zwischen unerwünschten Betriebsbedingungen differenzierende Logik verfügen, um die Pumpe auf geeignete Weise entsprechend der jeweiligen Bedingung ohne die Verwendung traditioneller Sensoren und/oder Hilfsregler zu regeln.
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US 6 591 697 B2 legt ein Verfahren zum Bestimmen von Pumpendurchflussmengen durch Messungen des Motordrehmoments offen, das eine Methodik bereitstellt, die die Beziehung von Drehmoment und Drehzahl zu Pumpendurchflussmenge und die Möglichkeit erklärt, den Pumpendurchfluss mit einem Frequenzumrichterantrieb (VFD) zum Anpassen der Drehzahl der Kreiselpumpe zu regulieren. Dieses Gerät verfugt jedoch nicht über die Logik, die für einen Schutz vor unerwünschten Betriebsbedingungen sorgen würde. Um den Durchfluss zu erhalten, verwendet das Gerät kalibrierte Kurven für Drehzahl gegen Drehmoment, die anwendungsabhängig sind, was die Flexibilität während des Aufbaus auf der Anlage verringert.
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US 6,464,464 B2 , dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung erteilt, legt ein Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern eines Pumpensystems offen, das einen Steuer- und Pumpenschutzalgorithmus vorsieht, der mit Hilfe eines VFD den Durchfluss, den Druck oder die Drehzahl einer Kreiselpumpe reguliert. Dieses Gerät verlangt jedoch den Einsatz von Instrumenten, die das Antriebssystem komplexer machen, eine zusätzliche mögliche Fehlerquelle bedeuten und die Kosten unnötig erhöhen.
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Ein weiteres bekanntes Gerät, PMP 25 von Load Controls, Inc. (Sturbridge, MA), sorgt für einen Pumpenschutz dadurch, dass es die gezogene Stromstärke und die Drehzahl des Motors beobachtet und den sich ergebenden Leistungswert dann mit verschiedenen Betriebsbedingungen (z. B. Trockenlauf, Ventil geschlossen) korreliert. (
US 5 930 092 A und
US 5 754 421 A ). Das Load Controls-Produkt eignet sich jedoch nur für Anwendungen bei konstanter Drehzahl und differenziert in seiner Regelfunktion nicht nach verschiedenen Bedingungen; Schutzeinstellungen führen lediglich zum „Auslösen” oder Abschalten des Motors.
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US 6,715,996 B2 legt ein Verfahren für den Betrieb einer Kreiselpumpe offen, das eine Methodik vorsieht, die die Pumpenleistung mit geschlossenem Ventil bei zwei Drehzahlen abtastet, Wirbelstromverluste bestimmt und eine angepasste Leistung bei weiteren Frequenzen berechnet, um festzustellen, ob eine Bedingung besteht, die zu einer Störung des Motors führen würde. Dieses Verfahren schützt jedoch nur vor Nulldurchfluss, es verfügt nicht über eine Logik, die einen Minimaldurchfluss (Durchfluss zu niedrig) oder ein Auslaufen (Durchfluss zu hoch) erkennt, noch kann es zwischen dem Zustand „Keine Abnahme” oder einer Trockenlaufbedingung unterscheiden.
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WO 2005/064167 A1 legt ein quantitatives Messverfahren offen, das eine Methodik vorsieht, bei der eine kalibrierte Kurve für Leistung/Differenzdruck gegen Durchfluss gegen Drehzahl verwendet wird. Die kalibrierten Daten werden gespeichert und mit aktuellen Werten verglichen, um den Pumpendurchfluss zu bestimmen. Dieses Verfahren verfügt jedoch nicht über die Logik, die für einen Schutz vor unerwünschten Betriebsbedingungen sorgen würde. Es verwendet auch im Auswertungsgerät gespeicherte Kalibrierkurven für Leistung/Δ Druck gegen Durchfluss bei mehreren Drehzahlen. Um den Durchfluss zu erhalten, erfordert diese Methode anwendungsabhängige Daten, was die Flexibilität während des Aufbaus auf der Anlage verringert.
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Ein Produkt van ABB Industry Oy (Helsinki, Finnland) sieht einen Frequenzumrichterantrieb (VFD) mit Parametern vor, die es erlauben, den maximalen und den minimalen Drehmomentwert so zu konfigurieren, dass ein Betrieb des Lastantriebes (Motor) außerhalb dieser Parameter verhindert wird. Der ABB-Antrieb sieht jedoch keine Logik für das Interpretieren verschiedener Betriebsbedingungen vor noch berücksichtigt er eine Skalierung von kreiselnd arbeitenden Verbrauchern wie Pumpen oder mechanische Verluste in kleinen Pumpen bei reduzierter Drehzahl.
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Ein Frequenzumrichterantriebssystem kann so konfiguriert werden, dass es mit Hilfe von Strömungs- oder Druckschaltern unerwünschte Betriebsbedingungen erkennt. Der Einsatz zusätzlicher Prozessschalter macht jedoch das Antriebssystem komplexer, bedeutet eine zusätzliche mögliche Fehlerquelle und erhöht die Kosten unnötig.
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Außerdem wurden in einer Patentierbarkeitsrecherche, die in Bezug auf die vorliegende Erfindung durchgeführt wurde, folgende Patente entwickelt. Nachstehend sind sie kurz zusammengefasst:
US 2004/0064292 A1 legt eine Tiefbrunnenkreiselpumpe offen, die zum Aufrechterhalten eines optimalen Flüssigkeitsstandes erforderlich ist. Bei ihr wird unter Verwendung von Drehmoment- und Drehzahldaten die Eingangsleistung in die Pumpe berechnet, Pumpenaffinitätsgesetze werden verwendet, um die Leistung an die Nenndrehzahl anzupassen, und ein Nenndurchfluss wird auf der Basis publizierter Pumpendaten bestimmt. Sie verwendet Daten aus den Affinitätsgesetzen und publizierte Leistungsdaten, um die Förderhöhe, den Wirkungsgrad und die als Minimum geforderte Ansaughöhe der Pumpe zu bestimmen. Der genaue Rechenweg wird nicht dargestellt; er wird nur als Durchfluss in Abhängigkeit von der Leistung und der Förderhöhe gezeigt, und Wirkungsgrad und Ansaughöhe werden in Abhängigkeit vom Durchfluss gezeigt. Das Verfahren berechnet einfach die Leistung, passt sie entsprechend der Nenndrehzahl an und bestimmt den Durchfluss aus veröffentlichten Leistungsdaten auf der Basis der Affinitätsgesetze. Obwohl bei den Pumpenherstellern weit verbreitet, sind Affinitätskorrekturen des Pumpenleistungsverhaltens nicht immer genau.
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US 2004/0064292 A1 legt zwar ein Regelsystem für Kreiselpumpen offen, doch wird dort kein Abstimm- oder Kalibrierverfahren vorgestellt. Dieses Verfahren würde die Verwendung von Testdaten der betreffenden Pumpe erfordern, oder es würde die Gefahr bestehen, dass ein wesentlicher Fehler eingeführt wird.
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US 6 709 241 B2 , das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung erteilt wurde, legt ein Verfahren offen, das vier Sensoren und zusätzlich die Eingabe tatsächlicher Leistungsdaten bei mehreren Drehzahlen in den Frequenzumrichterantrieb erfordert. Es verwendet einen Durchflusssensor (externer Durchflussmesser), um den tatsächlichen Durchfluss mit einem Schwellenwert für den Minimaldurchfluss zu vergleichen, es kann aber nicht zwischen minimalem Durchfluss, Zustand mit geschlossenem Ventil, Trockenlauf- oder Auslaufbedingung unterscheiden.
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US 2005/0123408 A1 legt einen Selbstkalibriervorgang offen, um die Mindestdrehzahl zu bestimmen, für die der Pumpendruck um einen Teilungsschritt gestiegen ist. Er dient nicht zum Kalibrieren von Leistung. Der Trockenlaufschutz beruht auf dem Vergleich eines tatsächlichen Strömungswertes mit einem Durchflussströmungswert. Der Schwellenwert beruht auf einer Betriebsdrehzahl.
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US 4 468 219 A und
US 4 795 314 A und US
US US2002/0141875 A1 legen peristaltische Pumpen oder Verdrängerpumpen offen, deren Verhalten sich hinsichtlich des Drehmoments und der Drehzahl von demjenigen kreiselnd arbeitender Verbraucher stark unterscheidet.
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US 6 783 328 B2 und
US 2002/0150476 A1 legen Verfahren offen, die Sensoren erfordern, um Durchfluss oder Druck zu überwachen mit dem Ziel, einen Sollwert mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Wird er überschritten, so wird die Drehzahl verringert, um den Sollwert unter den Schwellenwert zu senken.
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US 4 650 633 A legt ein Verfahren offen, das den Durchfluss zur Pumpe drosselt, um Kavitation zu verhindern, und auf Sensoren beruht, die Temperatur und Druck der Flüssigkeit am Pumpeneintritt erfassen.
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Bei Würdigung des oben diskutierten bekannten Standes der Technik wird deutlich, dass in der Industrie Bedarf nach einem Verfahren besteht, das Kreiselpumpen ohne den Einsatz traditioneller Sensoren Schutz bietet, das zwischen gefährlichen Betriebsbedingungen (z. B. Trockenlauf, Minimaldurchfluss und Auslaufen) und/oder Bedingungen unterscheiden kann, bei denen vorübergehende Bedingungen (z. B. Betrieb mit geschlossenem Ventil) auftreten können und der Schutz aufgehoben werden kann, sobald die Bedingung beseitigt ist, welches sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemcht hat. Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch den Regler und das Kreiselpumpensystem der unabhängigen Ansprüche 17 und 34.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht ein neues und einzigartiges Verfahren und Vorrichtungen für den Pumpenschutz ohne: den Einsatz traditioneller Sensoren vor durch das Berechnen eines Durchflusswertes zum Vergleich mit einem Durchflussschwellenwert aus einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, Motorsignalen für Drehzahl und Leistung (oder Drehmoment) und zusätzlich wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten wie etwa optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und optimaler Durchfluss bei der Pumpennenndrehzahl.
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Der zum Vergleich mit einem Durchflussschwellenwert berechnete Durchflusseingangswert kann auch einem der zahlreichen Verfahren zum Berechnen des Durchflusses unter Verwendung von Daten der Pumpenaffinitätsgesetze und Durchflusskalibrierkurven bei verschiedenen Drehzahlen, die in einem Auswertungsgerät gespeichert sind, und Pumpen- und Motorsignalen wie etwa Drehzahl und Leistung (oder Drehmoment) oder Drehzahl und Leistung/Differenzdruck entnommen werden.
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Zum Verfahren zum Beeinflussen des Betriebes der Pumpe gehört das Vergleichen eines tatsächlichen Durchflusswertes und eines korrigierten Durchflussschwellenwertes, der auf der Basis der Drehzahl der Pumpe korrigiert wird, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen. Die Reaktion auf den Betrieb der Pumpe kann aufgrund des Vergleichs angepasst werden.
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Die Korrektur des Durchflussschwellenwertes beruht auf einer Beziehung zwischen einer tatsächlichen Pumpendrehzahl und einer Pumpennenndrehzahl.
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Der korrigierte Durchflussschwellenwert kann einen Auslaufbedingungswert (Durchfluss zu hoch), einen Minimaldurchflusswert (Durchfluss zu niedrig) oder eine Kombination daraus enthalten, und das Verfahren kann den Vergleich eines korrigierten Auslaufschwellenwertes mit einem tatsächlichen Auslaufdurchflusswert enthalten, um eine Auslaufbedingung der Pumpe festzustellen.
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Das Verfahren kann auch den Vergleich eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes mit einem tatsächlichen Minimaldurchflusswert enthalten, um entweder einen Normaldurchfluss oder einen möglichen Minimaldurchfluss der Pumpe zu bestimmen, allein oder zusammen mit Schritten zum Vergleichen eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes mit einem tatsächlichen Durchflusswert und eines tatsächlichen Leistungswertes mit einem Leistungswert mit geschlossenem Ventil bei der aktuellen Drehzahl der Pumpe, um zu bestimmen, ob die Pumpe sich im Zustand eines Minimaldurchflusses befindet oder trocken läuft. Ausführungsbeispiele können auch entweder den tatsächlichen Leistungswert, den Leistungswert mit geschlossenem Ventil oder die Kombination daraus enthalten, der/die entsprechend der relativen Dichte des gepumpten Mediums korrigiert wird.
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Der berechnete Durchflusswert kann also mit Durchflussschwellenwerten verglichen werden, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen in Beziehung stehen. Die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl, Leistung oder Drehmoment können mit einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und mit wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten, zum Beispiel optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl, verglichen werden, um den tatsächlichen Durchfluss zu berechnen, oder können mit in einem Auswertungsgerät gespeicherten Kalibrierkurven für Durchfluss gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Durchfluss gegen Leistung/Differenzdruck verglichen werden, um den tatsächlichen Durchflusswert zu bestimmen. Weist die Installation einen Durchflussmesser auf, so können seine Werte als direkter Eingang in den Pumpenschutzalgorithmus verwendet werden. Die Logik kann in einen Frequenzumrichterantrieb oder eine in speicherprogrammierbare Steuerung eingebettet werden.
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Die vorliegende Erfindung kann auch einen Regler mit einem Modul in einer Konfiguration zum Realisieren der oben dargestellten Funktionsmerkmale sowie ein Pumpensystem, das über einen solchen Regler verfügt, aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel, offengelegt in
US 2004/0064292 A1 , beruht der Schutz auf dem gemessenen Drehmoment und der gemessenen Drehzahl aus dem Antrieb, woraus die Leistung berechnet wird, und die berechnete Leistung wird mit einer maximalen Leistungsschwelle verglichen, die entsprechend der Drehzahl auf der Basis von Affinitätsgesetzen korrigiert wurde. Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein ohne Sensor ermittelter Durchflusswert verwendet, der aus einer kalibrierten Kurve für Leistung mit geschlossenem Ventil gegen Drehzahl abgeleitet wurde, um eine genauere, drehzahlkorrigierte Kurve für Leistung gegen Durchfluss zu erstellen, als es mit Hilfe von Affinitätsgesetzen allein möglich ist. Der ohne Sensor ermittelte Durchflusswert wird dann mit den Schwellenwerten für Minimaldurchfluss und Auslaufdurchfluss verglichen. Auch eine Trockenlaufkontrolle wird durchgeführt, indem die kalibrierte Leistung mit geschlossenem Ventil mit der tatsächlichen Leistung bei der aktuellen Betriebsdrehzahl und der relativen Dichte der Flüssigkeit verglichen wird.
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Die vorliegende Erfindung sorgt also für den Schutz von Kreiselpumpen und unterscheidet gleichzeitig zwischen gefährlichen Betriebsbedingungen (z. B. Trockenlauf, Minimaldurchfluss und Auslaufen) und/oder Bedingungen, bei denen vorübergehende Bedingungen (z. B. Betrieb mit geschlossenem Ventil) auftreten können und der Schutz aufgehoben werden kann, sobald die Bedingung beseitigt ist. Die Methodik nutzt einen berechneten Durchflusswert, der mit Durchflussschwellenwerten, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen in Beziehung stehen, verglichen werden kann. Die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl, Leistung oder Drehmoment können mit einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und zusammen mit wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten, zum Beispiel optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl, verglichen werden, um den Durchfluss zu berechnen, oder können mit in einem Auswertungsgerät gespeicherten Kalibrierkurven für Durchfluss gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Durchfluss gegen Leistung/Differenzdruck bei verschiedenen Drehzahlen verglichen werden. Der berechnete Durchflusswert wird dann mit Durchflussschwellenwerten verglichen, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen in Beziehung stehen.
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Abschließend ist es wichtig darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung die Pumpenleistung gegen die Drehzahl mit geschlossenem Ventil kalibriert und die publizierte Leistung entsprechend der tatsächlichen Leistung auf der Basis der Kalibrierkurve anpasst, um Leistung gegen Durchfluss bei Betriebsdrehzahl genauer als in der
US 2004/0064292 A1 offenbart zu bestimmen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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ist ein Blockschema eines einfachen Pumpensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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ist ein Fließschema mit den wesentlichen Schritten, die von dem in gezeigten Regler gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
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ist ein Blockschema eines in gezeigten Reglers zum Ausführen der in gezeigten wesentlichen Schritte.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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zeigt das einfache Pumpensystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit 2 bezeichnet und das einen Regler 4, einen Motor 6 und eine Pumpe 8 aufweist. im Betrieb bestimmt der Regler 4 gemäß der vorliegenden Erfindung den berechneten Durchflusswert aus einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und Motorsignalen für Drehzahl und Leistung (oder Drehmoment) und zusätzlich den wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten wie etwa optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl. Der zum Vergleich mit einem Durchflussschwellenwert berechnete Durchflusseingangswert kann auch einem der zahlreichen Verfahren zum Berechnen des Durchflusses unter Verwendung von Daten der Pumpenaffinitätsgesetze und Durchflusskalibrierkurven bei verschiedenen Drehzahlen, die in einem Auswertungsgerät oder -modul (zum Beispiel Modul 4a in ) gespeichert sind, und Pumpen- und Motorsignalen wie etwa Drehzahl und Leistung (oder Drehmoment) oder Drehzahl und Leistung/Differenzdruck entnommen werden. Weist die Installation einen Durchflussmesser auf, so können seine Werte als direkter Eingang in den Pumpenschutzalgorithmus verwendet werden.
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Genau gesagt beeinflusst der Regler 4 den Betrieb der Pumpe 8 mit einem Modul 4a (siehe ), das für den Vergleich eines tatsächlichen Durchflusswertes und eines korrigierten Durchflussschwellenwertes konfiguriert ist, der auf der Basis der Drehzahl der Pumpe 8 korrigiert wird, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen. Der Betrieb der Pumpe 8 kann angepasst werden auf der Basis des Vergleichs unter Einschluss einer vom Benutzer einstellbaren, verzögerten Reaktion auf die Bedingung entweder nur vor einer Warnung, einer Warnung und einer Senkung der Drehzahl auf eine sichere Betriebsdrehzahl, einer Störungsschaltung und Stillsetzung des Motors oder einer automatischen Rücksetzung des Störzustandes und einem Neustart der Pumpe und des Motors, um zu prüfen, ob die Bedingung beseitigt ist. Wenn die Bedingung beseitigt ist, wird die Anpassung aufgehoben, und die Pumpe nimmt wieder den Normalbetrieb auf. Die Korrektur beruht auf einer Beziehung zwischen einer tatsächlichen Pumpendrehzahl und einer Pumpennenndrehzahl entsprechend der nachstehend beschriebenen.
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Der korrigierte Durchflussschwellenwert kann einen Auslaufbedingungswert, einen Minimaldurchflusswert oder eine Kombination daraus enthalten, und das Modul 4a kann für den Vergleich eines korrigierten Auslaufschwellenwertes mit einem tatsächlichen Auslaufdurchflusswert konfiguriert sein, um eine Auslaufbedingung der Pumpe 8 festzustellen.
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Das Modul 4a kann auch für den Vergleich eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes mit einem tatsächlichen Minimaldurchflusswert konfiguriert sein, um entweder einen Normaldurchfluss oder einen möglichen Minimaldurchfluss der Pumpe zu bestimmen, allein oder zusammen mit Schritten zum Vergleichen eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes mit einem tatsächlichen Durchflusswert und eines tatsächlichen Leistungswertes mit einem Leistungswert mit geschlossenem Ventil bei der aktuellen Drehzahl der Pumpe, um zu bestimmen, ob die Pumpe sich im Zustand eines Minimaldurchflusses befindet oder trocken läuft. Ausführungsbeispiele können auch entweder den tatsächlichen Leistungswert, den Leistungswert mit geschlossenem Ventil oder die Kombination daraus enthalten, der/die entsprechend der relativen Dichte des gepumpten Mediums korrigiert wird.
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Der berechnete Durchflusswert kann also mit Durchflussschwellenwerten verglichen werden, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen in Beziehung stehen. Die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl, Leistung oder Drehmoment können mit einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und zusammen mit wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten, zum Beispiel optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl, verglichen werden, um den Durchfluss zu berechnen, oder können mit in einem Auswertungsgerät oder in Modul 4a gespeicherten Kalibrierkurven für Durchfluss gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Durchfluss gegen Leistung/Differenzdruck bei verschiedenen Drehzahlen verglichen werden, um den tatsächlichen Durchflusswert zu bestimmen. Weist die Installation einen Durchflussmesser (nicht gezeigt) auf, so können seine Werte als direkter Eingang in den im Regler 4 realisierten Pumpenschutzalgorithmus verwendet werden. Die Steuerlogik kann in einen Regler wie 4a eingebettet werden, der, wie gezeigt, als Frequenzumrichterantrieb (VFD) oder speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) ausgeführt sein kann.
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Motor 6 und Pumpe 8 sind in der Technik bekannt und werden hier nicht detailliert beschrieben. Außerdem ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf irgendeinen bestimmten Typ oder eine Art davon zu beschränken, der/die entweder jetzt bekannt ist oder in der Zukunft entwickelt wird. Weiterhin soll der Umfang der Erfindung auch die Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Regelung des Betriebes einer Kreiselpumpe, eines Kreiselmischers, eines Radialgebläses oder eines Radialverdichters enthalten.
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Die vorliegende Erfindung besteht also aus einer Steuerlogik und kann mit ihr realisiert werden, die das direkte Rückführsignal der Leistung (oder des Drehmoments) und der Drehzahl aus dem Motor 6 und der Pumpe 8 zum Berechnen eines Durchflusswertes verwendet, um unerwünschte Betriebsbedingungen zu erkennen und die geeignete Reaktion im Betrieb herbeizuführen mit dem Ziel, die angetriebene Maschine (Kreiselpumpe) vor Schaden zu schützen. Der berechnete Durchflusswert wird dann mit Durchflussschwellenwerten verglichen, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen in Beziehung stehen. Alternativ dazu können die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl, Leistung oder Drehmoment mit kalibrierten Kurven für Durchfluss gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Leistung/Differenzdruck, die in einem Auswertungsgerät gespeichert sind, verglichen werden, um den tatsächlichen Durchflusswert zu bestimmen. Alternativ dazu können, falls die Installation einen Durchflussmesser aufweist, seine Werte als direkter Eingang in den Pumpenschutzalgorithmus verwendet werden.
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Abb. 2: Steuerlogik
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zeigt beispielhaft ein Fließschema, das allgemein mit 10 bezeichnet wird und die wesentlichen Schritte 12 bis 18 des Pumpenschutzalgorithmus oder der Steuerlogik aufweist, der/die vom Regler 4 gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann. Der Pumpenschutzalgorithmus oder die Steuerlogik kann in den Frequenzumrichterantrieb oder in die speicherprogrammierbare Steuerung wie diejenige eingebettet werden, die oben in Bezug auf den Regler 4 in gezeigt wird. Viele derzeit verfügbare VFD-Systeme erzeugen genaue mathematische Modelle der angetriebenen Motoren, um eine präzise Regelung über Drehzahl und Drehmoment herbeizuführen. Liegen diese Informationen vor, so kann die Schutzlogik gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt realisiert werden:
Eingänge können sein:
- – Minimale Drehzahl
- – Maximale Drehzahl
- – Nenndrehzahl
- – Minimale Durchflussschwelle bei Nenndrehzahl (Durchfluss zu gering)
- – Auslaufschwellenwert des Durchflusses bei Nenndrehzahl (Durchfluss zu hoch)
- – KDR – ein Koeffizient, multipliziert mit der Leistung mit geschlossenem Ventil bei aktueller Betriebsdrehzahl, der zum Feststellen einer Trockenlaufbedingung verwendet werden kann.
- – Schutzverzögerung – ein Zeitverzug in Sekunden, bis eine Schutzbedingung erklärt wird.
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Auf der Basis der aktuellen Betriebsdrehzahl werden die Schwellenwerte des Minimal- und des Auslaufdurchflusses wie folgt korrigiert:
- – QMIN_COR = QMIN × (NACT/NRATED)
- – QRO_COR = QRO × (NACT/NRATED)
wobei - QMIN_COR
- der um die Drehzahl korrigierte Minimaldurchfluss ist
- QRO_COR
- der um die Drehzahl korrigierte Auslaufdurchfluss ist
- NACT
- die tatsächliche Drehzahl ist
- NRATED
- die Nenndrehzahl ist.
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Nachdem eine Bedingung erklärt worden ist, führt die Logik abhängig von den Einstellungen folgende Aktionen herbei:
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Auslaufbedingung 13
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- – Eine AUSLAUF-Schutzbedingung 13 wird erklärt, wenn der tatsächliche Durchfluss höher ist als die um die Drehzahl korrigierte AUSLAUF-Durchflusseinstellung.
- – Die Reaktion des Antriebes besteht darin, den Benutzer zu warnen, ohne weitere Aktionen zu beginnen. Eine Schutzverzögerungszeit vor der Erklärung einer AUSLAUF-Bedingung kann eingestellt werden. Wenn die Auslaufbedingung beseitigt ist, wird die AUSLAUF-Warnung aufgehoben.
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Minimaldurchflussbedingung 17
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Eine MINIMALDURCHFLUSS-Schutzbedingung 17 wird erklärt, wenn der tatsächliche Durchfluss niedriger als die um die Drehzahl korrigierte MINIMAL-Durchflusseinstellung ist und PACT größer als KDR × PSO_N ist,
wobei
- – KDR ein Trockenlaufkoeffizient ist,
- – PACT die um eine relative Dichte = 1 korrigierte tatsächliche Leistung ist und
- – PSO_N die Leistung mit geschlossenem Ventil bei der aktuellen Drehzahl, korrigiert um eine relative Dichte = 1, ist. PSO_N wird aus einer in einem Auswertungsgerät gespeicherten Kurve für Leistung mit geschlossenem Ventil gegen Drehzahl interpoliert. Alternativ dazu kann PSO_N nach den Affinitätsgesetzen wie folgt berechnet werden: PSO_N = Pso(rated speed) × (N actual speed/N rated speed)KSO, wobei KSO meist 3,0 ist. Bei Pumpen mit niedriger Leistung kann an KDR eine Korrektur vorgenommen werden, um Ungenauigkeiten in PSO_N auszugleichen, falls das Affinitätsberechnungsverfahren angewandt wird. Dann KDR corr = KDR × (N actual speed/N rated speed)0,5, und die Gleichung in wird Pact < KDR corr × PSO_N.
- – Die Reaktion des Antriebs kann so eingestellt werden, dass entweder der Benutzer gewarnt wird, ohne weitere Aktionen zu beginnen, der Benutzer gewarnt wird und die Drehzahl auf einen sicheren Minimalwert reduziert wird (Alarm und Regeleingriff), oder eine Störung gemeldet und die Einheit stillgesetzt wird. Eine Schutzverzögerungszeit vor der Erklärung einer MINIMALDURCHFLUSS-Bedingung kann eingestellt werden. Der Antrieb kann auch so eingestellt werden, dass eine Alarm- und Regelbedingung oder eine Störung automatisch zurückgesetzt wird, um zu prüfen, ob die vorübergehende Bedingung beseitigt ist. Die Zahl der Rücksetzungen und die Zeit zwischen ihnen kann der Benutzer einstellen. Nachdem die Zahl der Rücksetzungen erreicht ist, bleibt, falls die Bedingung nicht beseitigt ist, die Einheit abgeschaltet, bis sie vom Benutzer manuell wieder gestartet wird.
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Trockenlaufbedingung 18
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Eine TROCKENLAUF-Schutzbedingung 18 wird erklärt, wenn PACT kleiner als KDR × PSO_N ist.
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Die Reaktion des Antriebs kann so eingestellt werden, dass entweder der Benutzer ohne eine weitere Aktion gewarnt wird oder ein Störzustand gemeldet und die Einheit stillgesetzt wird. Eine Schutzverzögerungszeit vor der Erklärung einer TROCKENLAUF-Bedingung kann eingestellt werden. Der Antrieb kann nicht so eingestellt werden, dass eine Störungsbedingung automatisch zurückgesetzt wird. Nachdem die Einheit in den Störzustand übergegangen ist, bleibt sie abgeschaltet, bis sie vom Benutzer wieder gestartet wird.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung berücksichtigt, dass die gesamte Funktionalität vom Benutzer wahlweise unwirksam gemacht wird.
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Abb. 3: Regler 4
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zeigt die wesentlichen Module 4a und 4b des Reglers 4. Viele unterschiedliche Typen und Arten von Reglern und Regelmodulen zum Regeln von Pumpen sind in der Technik bekannt. Ein Fachmann, der mit solchen Reglern und Regelmodulen vertraut ist, wäre in der Lage, ein Regelmodul wie etwa 4a zu realisieren und so zu konfigurieren, dass es die Funktionalität entsprechend der hier beschriebenen erfüllt, das heißt einen tatsächlichen Durchflusswert und einen korrigierten Durchflussschwellenwert, der auf der Basis der Pumpendrehzahl korrigiert ist, vergleicht, um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen, sowie die anderen wesentlichen Schritte der vorliegenden Erfindung realisiert, etwa wie in gezeigt und oben beschrieben, gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispielhaft kann die Funktionalität des Moduls 4a durch Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination daraus realisiert werden, doch ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf ein irgendein bestimmtes Ausführungsbeispiel davon zu beschränken. In einer typischen Softwarerealisierung wäre ein solches Modul eine oder mehr Architekturen auf Mikroprozessorbasis mit einem Mikroprozessor, einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), Eingabe-/Ausgabegeräten und Steuerung sowie Daten- und Adressbussen zu ihrer Verbindung. Ein Fachmann wäre in der Lage, ohne übermäßiges Experimentieren eine solche Realisierung auf Mikroprozessorbasis zu programmieren, damit die hier beschriebene Funktionalität erfüllt wird. Es ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf irgendeine bestimmte Realisierung unter Einsatz einer bekannten oder in der Zukunft entwickelten Technik zu beschränken.
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Der Regler weist weitere Regelmodule 4b auf, die in der Technik bekannt sind, die nicht Teil der zugrundeliegenden Erfindung sind und die hier nicht detailliert beschrieben werden.
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WEITERE EINSATZMÖGLICHKEITEN
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- 1. Pumpenlastwächter: Pumpenlastwächter stützen sich auf eine genaue Modellierung der Pumpenleistungskurve, um die Minimaldurchfluss- und Abschaltbedingungen zu erkennen. Während die meisten Lastwächter nur die Leistung bei einer Drehzahl überwachen, würde diese Logik genauer arbeitende Lastwächter im drehzahlveränderlichen Betrieb erlauben.
- 2. Pumpenschutzalgorithmen: Sensorlose Durchflussmessungen können einen zuverlässigen Hinweis auf die Betriebsbedingungen liefern: Auslaufbedingungen (Durchfluss zu hoch), Betrieb unter dem Minimaldurchfluss der Pumpe (Durchfluss zu niedrig) oder Betrieb gegen ein geschlossenes Auslassventil.
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Es sollte klar sein, dass, wenn hier nichts anderes gesagt wird, jedes) der Merkmale, Kennzeichen, Alternativen oder Modifikationen, die in Bezug auf ein bestimmtes, hier genanntes Ausführungsbeispiel beschrieben werden, auch mit jedem anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispiel angewendet, eingesetzt oder darin einbezogen werden kann. Außerdem sind die Zeichnungen in diesem Dokument nicht maßstabsgerecht.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsbeispiele davon beschrieben und illustriert worden ist, können die vorgenannten oder verschiedene andere Zusätze und Auslassungen daran vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.