EP2944821A1 - Method for the energy-optimized regulation of the speed of a pump unit - Google Patents
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- EP2944821A1 EP2944821A1 EP15001441.3A EP15001441A EP2944821A1 EP 2944821 A1 EP2944821 A1 EP 2944821A1 EP 15001441 A EP15001441 A EP 15001441A EP 2944821 A1 EP2944821 A1 EP 2944821A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
- F04D15/0066—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems by changing the speed, e.g. of the driving engine
Definitions
- the present invention relates to a method for energy-optimized operation of an open pump system for liquid transport, with at least one variable-speed pump unit, which conveys the liquid from a container.
- the invention relates to a method for the energy-optimal operation of a wastewater from a pump sump of a pumping station promotional, variable speed pump unit.
- Pump sumps form intermediate collectors, into which the wastewater flows in via one or more inlets.
- the inlet or the inlets are sewer sewers.
- This drain line can also be a sewer of the sewer system and lead, for example, in a next intermediate collector or to a sewage treatment plant.
- the pump units in such sewage pumping stations are nowadays predominantly unregulated or operated by means of two-step control, in which the pump is switched on and off only cyclically or as needed.
- the activation and deactivation takes place depending on the water level in the pump sump, for example controlled by a float. Frequent on-off changes, however, lead to increased wear of the pump units and increased energy consumption.
- pump stations are also known whose pump units have frequency converters for speed control, so that the pump can be regulated as needed.
- a sewage pumping station is for example from the German patent application DE 10 2013 007 026.0 known.
- the WO 2005/088134 A1 describes a method for controlling a pumping station, in which the rotational speed of the pump is selected optimally in terms of energy level with regard to the filling level in the pump sump. However, this only applies to the current time. With regard to a future course of business, the in WO 2005/088134 A1 shown operation not energetically optimal.
- a method for energy-optimal operation of an open pump system for liquid transport proposed with at least one variable speed pump unit, which promotes the liquid from a container, depending on at least one factory given system characteristic curve by evaluating a mathematical function, the one to be conveyed flow required for this Associates volume flow specific energy consumption of the pump set, the one speed is calculated at which the volume flow specific power consumption is minimal, and the pump unit is operated with this calculated speed as the optimum speed.
- the pump unit is thus at least unless there is an exceptional operating situation that requires a different operating setting, always operated at the speed that leads to a minimum energy consumption.
- the method is applicable to all open pump systems, i. such pump systems that do not promote in a closed circuit.
- the method according to the invention is suitable for the operation of a wastewater from a pump sump of a pumping station, which is capable of speed-controllable pump unit.
- Another application is, for example, the operation of a well pump that pumps groundwater out of a wellbore.
- the container for the liquid may be any open or closed, natural or artificial liquid holding site, in particular a sump, a well, a well, basin, tank, a cistern, a reservoir, a lake, or a collector.
- the exact quantification of the energy saving compared to the two-point control without frequency converter or an alternative variable-speed pump is of great importance. This can be done with the aid of the method according to the invention, especially as the system characteristic curve is known on the basis of the manufacturer's specification and does not have to be determined first during operation of the pumping station.
- FIG. 1 shows a wastewater pumping station 1 comprising a pump sump 3 with an inlet 4 and a drain 5 and a pump sump 3 arranged in this pump unit 2, which is driven by an electric motor and whose speed can be controlled.
- the pump unit 2 consists of a pump unit 2a and a driving electric motor 2b. It pumps via a pressure line 6 located in the pump sump 3 wastewater in the geodesically higher drain 5. From there, the wastewater flows on to a next pumping station, a receiving water or directly to a water treatment plant.
- a volumetric flow sensor can be arranged, which measures over a progressive period, the inflowing via the inlet 4 in the sump 3 amount of water per unit time.
- a volumetric flow sensor 9 on the pressure side of the pump unit 2 is provided to measure the flow rate Q of the pump unit 2.
- the volume flow sensor 9 can also be arranged at a different location, in particular in the pressure line 6 or the outlet 5. Furthermore, it is also possible to calculate the delivery flow values. In this case, the volume flow sensor 9 is also not needed.
- a fill level sensor 11 which measures the water level h, is located in the pump sump 3.
- a current level h is represented by the line 7.
- the speed control of the pump unit 2 is performed by a pump electronics in the form of an evaluation and control unit 8, which is connected via a control line to the pump unit 2, in particular its electric motor 2b and as here preferably via corresponding measuring lines with the volume flow sensor 9 and / or Level sensor 11 may be connected.
- the pump electronics 8 contrary to the representation in FIG. 1 may also be formed by an evaluation unit on the one hand and a structurally separate control unit on the other. These units can also be separated from each other locally.
- the pump electronics 8 has a computer electronics to perform numerical calculations, and preferably also a measuring electronics in order to process measured values.
- the speed control of the pump unit 2 is carried out in a conventional manner by the control of a frequency converter, which acts on the electric motor 2b with a voltage required to achieve a desired speed suitable height and frequency.
- the frequency converter can be arranged directly structurally on the electric motor 2 b or also be part of the remote evaluation and control unit 8, or another separate power electronics outside the pump sump 3.
- the inventive method is based on the basic idea that a pump unit requires energy .DELTA.E in order to convey a certain volume .DELTA.V out of the pump sump 3. From this knowledge, a volume flow-specific energy consumption P Q ( Q ) can be determined, which describes the ratio of the absorbed power P ( Q ) to the flow Q.
- FIG. 2 The basic procedure of the method according to a first variant is in FIG. 2 illustrated and will be explained below.
- the optimal flow rate Q opt is first calculated and then the speed n (Q opt , h) is calculated, which is required so that the pump unit 2 just conveys the optimal flow rate Q opt .
- the optimum speed can be calculated directly, ie in one step.
- FIG. 3 shows a global procedure for both variants, which will be described in more detail below.
- the procedure according to FIG. 2 begins with a measurement of the level h in step 20. It should be noted, however, that the measurement of the time-varying current level h (t) is not necessarily required.
- the plant characteristic H A (Q, h) for the calculation of optimal speed n opt a constant level h of the container 3 take into account, for example, a mean level h or an upper level limit h o .
- the level is indicated in the equations with h, which hereunder is either the time-variable current level h (t) or one of the above-mentioned constant levels h, h o to understand.
- the search for the minimum of the volume flow specific energy P Q ( Q ) can be made by any mathematical method of the prior art.
- Q is varied, ie the specific energy P Q ( Q ) is calculated for a multiplicity of different delivery flows Q i between a minimum and a maximum delivery flow, and then the minimum P Q, min is sought from the results obtained, in which case the delivery flow which has just led to this minimum, the sought optimal flow Q opt .
- n (Q opt, h) For this optimum flow rate Q opt that speed is then n (Q opt, h) is calculated, which is required so that the pump unit 2 just promotes the optimum flow rate, step 24.
- This optimum speed n (Q opt, h) is then on the pump set 2, step 26, or the pump unit 2 is - as far as possible - on this energy-efficient speed n (Q opt , h) operated.
- exception conditions can be checked in step 28, which can lead to the result that a different speed than the calculated optimum speed n (Q opt , h) makes sense for the current system state.
- a state of emergency is that the inlet exceeds the flow rate or a certain maximum level or upper level limit h o in the pump sump 3 is reached.
- This can then be a trigger that, instead of the optimum speed n (Q opt , h), the maximum speed of the pump unit 2 is set to prevent overflow.
- the "exceptional conditions check" in step 28 one or more conditions are thus checked to identify certain situations and / or operating conditions that may require a speed other than the optimum speed n (Q opt , h). However, this test is not required to carry out the invention.
- the pump map H P (Q, n) and the power consumption map P (Q, n) of the pump set 2 to be investigated are determined and at least one plant characteristic H A (Q, h), the latter also called pipe network characteristic needed.
- the pump map H P (Q, n) describes the relationship between the funded by the pump unit 2 flow rate Q at a certain pressure difference Ap between the suction side and the pressure side of the pump 2a, which is expressed in a corresponding delivery height H, at a certain speed n
- a pump characteristic H P, n (Q) For each particular speed n, there is a pump characteristic H P, n (Q), so that the pump map H P (Q, n) can also be considered as a plurality of individual pump characteristics H P, n (Q).
- the graphical representation of this relationship is usually in the so-called HQ diagram.
- the pump unit 2 has a certain pump characteristic H P, n (Q), which for the rated speed n 0, for example by means of a polynomial 2nd degree H P .
- n 0 Q a 0 + a 1 ⁇ Q + a 2 ⁇ Q 2
- n n 0
- the coefficients a 0 , a 1 and a 2 are constants.
- the power consumption map P (Q, n) can be set up, which can be considered from a plurality of power characteristics P n (Q), each for a certain speed n the Describe relationship between the flow rate Q and the power consumption P.
- the coefficients b 0 , b 1 , b 2 and b 3 are also constants.
- the pump map H P (Q, n) and the performance map P (Q, n) are measured by the pump manufacturer for a variety of different speeds, in particular for rated speed n 0 and provided as measured values or in curve diagrams.
- the pump and performance characteristics are also presented directly by the pump manufacturer in mathematical representation in the manner of a function according to Equation 2 or 3. If this is not done, polynomials according to equations 2 or 3 with the corresponding coefficients for describing the pump characteristic curve or characteristic curve or performance characteristic curve can be determined from the measured values or curve representations by interpolation or approximation according to a manner known per se in the prior art. characteristics are found.
- the plant map H A (Q, h) is known by the operator of the pumping station due to the proposed dimensioning of inlet and outlet 4, 5 and the pressure line 6; Ultimately, therefore, in order to enable the pump manufacturer to be able to select and offer a suitable pump set.
- the plant map H A (Q, h) according to GI.
- a plant characteristic curve H A (Q, h) will always be used below, although in the case of taking account of the variable current level h (t), this is actually a characteristic diagram.
- d 0 is the distance between the highest point in the connected pressure pipe 6 and the sump bottom so that the geodetic height H geo is given by d 0 - h .
- the pump map H P (Q, n) and the power consumption map P (Q, n) are specified by the manufacturer, so that again no metrological investigations during operation of the pump unit are required.
- the pump characteristics and power consumption characteristics do not become specific only discrete speeds but needed for all speeds. The same is necessary to determine what speed n the pump unit 2 needed to promote a certain flow Q. That is, the entire pump map and power consumption map of the pump set must be known. As already stated, a complete measurement and indication of the respective characteristic map can be carried out as measured values or as polynomials by the pump manufacturer.
- the pump map H P (Q, n) and power consumption map P (Q, n) can alternatively be mathematically described, for example, by only the pump characteristic H P, n0 (Q) for the rated speed n 0 and only the power consumption curve P n0 (Q) are used as the basis for the nominal rotational speed n 0 and the affinity laws (H ⁇ n 2 , P ⁇ n 3 ) are used.
- ⁇ ges describes an overall efficiency, which is formed from the product of several efficiencies, in particular the efficiency of the frequency converter, the electric motor 2a and a possible coupling.
- the use of the affinity statements thus has the advantage that only a pump characteristic H P, n0 (Q) and a power consumption characteristic P n0 (Q), namely preferably at rated speed n 0 , need to be known in order to obtain the entire pump characteristic H P (Q, n ) or power consumption map P (Q, n).
- a parameter c 0 means that the efficiency remains constant despite decreasing speed n. If measured values for different rotational speeds are available, the parameter c can be determined such that the resulting characteristic map optimally matches the measured data. Alternatively, all measuring points can be interpolated and thus a power consumption map can be generated.
- n Q ⁇ H n 0 2 ⁇ a 0 ⁇ - a 1 ⁇ Q + 4 ⁇ a 0 ⁇ d 0 - H + d 1 ⁇ Q + d 2 - a 2 ⁇ Q 2 + a 1 2 ⁇ Q 2 ,
- the power consumption P (Q, n) for an arbitrary flow rate Q and a certain speed n is calculated according to equation 7.
- FIG. 4 shows a graphical representation of the specific energy consumption in response to the flow rate Q and the level h for an exemplary pump unit 2 and an exemplary plant characteristic. It becomes clear that the specific energy consumption for each water level h has a minimum approximately in the range between 1/3 and 1/2 of the maximum flow rate.
- the energetically optimal delivery flow Q opt is calculated by minimizing the specific energy consumption P Q (Q, h) above the delivery flow Q for a specific, in particular the measured, level h (t).
- Q opt : argmin Q ⁇ P Q Q . H t ,
- the flow rate Q opt at which the power consumption (P Q (Q opt , h)) is minimum is calculated, see step 22 in FIG. 2 .
- the associated speed n (Q opt , h), ie, the optimum speed required to deliver the optimum flow Q opt is determined by Equation 9a, see step 24 in FIG. 1 , This speed n (Q opt , h) is then set on the pump unit 2.
- the described first variant of the method therefore provides that initially the optimum delivery flow Q opt is determined, preferably according to Equation 13, and subsequently that rotational speed n (Q opt , h) is calculated, preferably according to Equation 9a, which is set in the pump unit 2 must be, so that it promotes the desired optimum flow Q opt .
- the optimum speed n opt is calculated directly from the minimization of the volume-flow-specific energy consumption by minimizing it over the speed n.
- This has the advantage that not only the optimum flow must be calculated. However, this presupposes that the function describing the volume flow-specific energy consumption is not dependent on the flow rate Q.
- the derivation of a corresponding Calculation rule is reproduced below. Only those aspects of the second variant of the method that are different from the first variant will be explained. Incidentally, the above explanations to the first variant for the second variant also apply.
- the power consumption P (Q, n) for an arbitrary flow rate Q and a certain speed n is calculated according to equation 7.
- the volume flow-specific energy consumption P Q (n, h) results, as in the first variant, in that the level-dependent power consumption P ( n, h ) is related to the flow rate Q, ie divided by it.
- P Q n ⁇ H P ⁇ n ⁇ H Q n ⁇ H ,
- n opt is then calculated by minimizing the specific energy consumption P Q (n, h) over the rotational speed for a specific, in particular the measured water level h (t).
- n opt : argmin n ⁇ P Q n . H t ,
- variable speed pump unit 2 When energy-efficient operation of the variable speed pump unit 2 should be taken to ensure that the optimum flow rate Q opt is not exceeded, since the specific energy consumption increases sharply at lower speeds. As long and as often as possible, the pump unit 2 should be operated at the optimum speed n opt or n (Q opt , h). This should be the case, usefully at least when the flow Q does not exceed the value of the optimal discharge flow rate Q opt, that less water flows into the pump sump 3 in as is pumped out.
- the pump characteristic H P (Q, n), the power consumption map P (Q, n) and the system characteristic H A (Q, h) in the pump unit 2 associated pump electronics 8 are deposited.
- the pump set (2) can then automatically calculate and set the optimum speed.
- the pump unit 2 is operated at operating intervals 10, wherein the calculated optimum speed for an operating interval on the pump unit 2 is set.
- Such an operating interval 10 is in FIG. 5 to see the curves of the flow rate Q (solid line) and the inlet Q in (dashed line) shows.
- the calculation of the optimal speed n opt , n (Q opt , h) can basically be done at any time. However, if the pump set is operated at operating intervals, the determined optimum speed will, of course, only be set at the next operating interval. In particular, however, the calculation can take place both before and during a service interval.
- the pump unit 2 is turned on when a predetermined upper level limit h o is reached or exceeded, and turned off when a predetermined lower level limit h u is reached or exceeded. This corresponds to a two-point control of the pump unit 2.
- the pump unit 2 is ideally operated with the calculated optimum speed n opt , n (Q opt , h).
- the level h generally does not have to enter into the calculation of the optimum speed as a variable. Because if the pump unit is turned on only when reaching the upper level limit h o , anyway the current level is approximately at this upper level limit h o , so this always for the calculation of the optimal speed n opt , n (Q opt , h o ) can be used. If the optimum speed n opt , n (Q opt , h) is recalculated during an operating interval, the current or average level can be used for the calculation.
- the upper level limit h o may be, for example, between 75% and 85% of a maximum level h max .
- the lower level limit h u may, for example, be the minimum level h min or between 25% and 35% of the maximum level h max .
- the water level in the sump 3 is kept as high as possible.
- the geodetic height H geo and thus reduces the friction losses. This is achieved by selecting the lower level limit h u comparatively high, for example between 40% and 60% of the maximum level h max .
- the pump unit 2 is thus operated so that the level h in the pump sump 3 is maintained between 40% and 85%, preferably between 50% and 75%.
- the pump unit 2 If the pump unit 2 is turned on at or after reaching the upper level limit h o , is pumped until the lower level limit h u is reached. The pump unit 2 is then switched off again and only switched on again when the upper level limit h o is reached. As a result, an operation in the manner of a hysteresis is realized.
- FIG. 3 illustrates this method. Analogous to FIG. 2 the level is measured in the pump sump 3 in step 20 and then the optimum speed n opt , n) (Q opt , h) as above calculated using one of variants 1 or 2, step 24. Subsequently, the water level h is evaluated. If it reaches or exceeds the upper limit h o , see step 21, the pump unit 2 is turned on and operated at this calculated speed n opt , n (Q opt , h), step 26. The pump sump 3 is thereby increasingly emptied, provided the inlet less than the flow rate. The level h then falls below the upper level limit h o , so that the condition in step 21 is no longer satisfied. The operation of the pump unit 2 is normally carried out until the water level h has dropped below the lower limit level h u . This is checked in step 23. If this condition is met, the pump unit 2 is switched off again, step 27.
- the pump unit 2 can be operated constantly at the optimum speed.
- the optimum speed can be recalculated and adjusted again and again during operation in order to take into account the current level h.
- the pump set 2 is not operated at a fixed speed. Rather, the operating speed is adjusted to the level 7 in the pump sump 3, that is, the optimal speed n opt , n (Q opt , h) set for the respective level 7.
- This can in particular also take place when the upper limit level h o already falls below, ie the condition in step 21 is not (more) fulfilled, the lower limit level h u but not yet reached, ie the condition in step 23 is not reached is. This is in FIG. 3 not shown.
- the two-point control is performed only then, and in particular only as long as the flow Q in smaller than the calculated optimal flow rate Q opt, since the level otherwise continues to increase and the pump sump 3 may overflow under certain circumstances.
- n (Q opt , h) can be set, for example, the maximum speed n max or Such a speed with which a predetermined level is realized, preferably the upper level limit h o .
- n (Q opt , h) can be set, for example, the maximum speed n max or Such a speed with which a predetermined level is realized, preferably the upper level limit h o .
- a verification that the flow Q is greater than the calculated optimal flow rate Q opt can be checked whether the water level h in the sump 3 a maximum level h max reaches or exceeds. This may be the subject of review in step 25 of FIG. 3 be. If this is the case, can be promoted with a higher speed than the optimal speed, for example, with a maximum speed, see step 29. If the inflow Q in contrast, is not greater than the current flow or the level exceeds the maximum value h max during an operating interval 10th not, then the procedure is continued at the beginning, step 20.
- the system characteristic curve H A (Q, h) of the pump system ie the coefficients d 0 , d 1 , d 2 , can change according to Equation 4 or 5, for example due to deposits that lead to a higher flow resistance. Since the system characteristic H A (Q, h) for the calculation of the optimal flow rate Q opt and the optimal speed n opt , n (Q opt , h) is mandatory, it can be redetermined during operation, or the coefficients d 0 , d 1 , d 2 are adjusted.
- the flow rate Q can be measured, for example, by means of the volume flow sensor 9.
- a number of at least three different speeds n i are driven within a certain period of time. This period may include one or more operating intervals 10, preferably three operating intervals 10. This has the advantage that the pump unit 2 in each operating interval 10 with only one rotational speed n, which then can preferably correspond to the inventively calculated optimal speed n opt , n (Q opt , h).
- the period can be, for example, 24 hours.
- the start-up of different speeds is n i in intervals, in particular periodically, preferably repeated once per day to the system curve H A (Q, h) to quasi-continuously monitor and detect a change in the system characteristics (eg, deposits, constipation). Furthermore, it is advantageous if each rotational speed n i repeats a certain number of times, for example twice in each case, in order to compensate for measurement errors or calculation errors.
- the pump unit 2 for example, six operating intervals 10 are operated at three different speeds n i , ie in each case an operating interval 10 at a fixed speed n and two operating intervals 10 at the same speed.
- n i the speed of the pump unit 2
- n i the speed of the pump unit 2
- each operating interval 10 can each have a flow rate Q ⁇ and a level ⁇ as the average value of the flow rates Q and the water levels h of the corresponding Operating interval 10 can be determined.
- the level determination can be carried out by measuring the level h by means of sensor 11 and arithmetical averaging.
- the flow determination can also be done by measuring the flow rate by means of sensor 9 and arithmetical averaging.
- the delivery head ⁇ can then be determined for one of the rotational speeds n i used, for example according to equation 6.
- the calculation of the delivery head ⁇ can also be performed using the equation 9a used in equation 6 using the Level ⁇ take place. The speed n i is then not needed.
- the distance d 0 between the pump sump bottom 3 and the geodetically highest point of the pressure line 6 can be determined.
- the specific energy consumption P Q ( Q, n ) and the energy-optimal rotational speed n opt , n (Q opt , h) are calculated. This is preferably carried out between two operating intervals 10 for a certain level h, for example for the upper level limit h o or for a plurality of different levels h. The calculated speed n opt , n (Q opt , h) is then used for the next operating interval 10.
- sliding value triplets ( Q ⁇ i , ⁇ i , ⁇ i ) can be used. This means that, although the number of value triplets remains the same, however, an old value triple ( Q ⁇ 1, ⁇ 1 , ⁇ 1 ), in particular the value first determined temporally first, is discarded and a new value triple ( Q ⁇ m ⁇ n , ⁇ m ⁇ n , ⁇ m ⁇ n ) is added, in particular added at the back. For this purpose, after the end of the operating interval 10, a further averaged over the operating interval 10 flow Q ⁇ m . n and level ⁇ m ⁇ n and from this the delivery height ⁇ m . n be determined.
- a new optimal rotational speed n opt , n (Q opt , h) can then be calculated and used for the next operating interval 10. The process then starts all over again.
- the pump system can be monitored by repeatedly determining the system characteristic H A (Q, h) during operation of the system and the new coefficients d 0 , d 1 , d 2 to be compared with the original coefficients.
- a deviation in particular an increasing deviation or a deviation by a certain amount, indicates a deterioration of the plant condition, for example a deposit in the pressure line.
- the power consumption map P (Q, n) can be newly approximated, preferably by the mathematical methods of the compensation calculation.
- the Parameter c can be determined from Equation 8.
- the performance map P (Q, n) is thus better represented and thus also the specific energy calculated more accurately.
- the redetermination of the system characteristic H A (Q, h) and / or of the power consumption map P (Q, n) can take place between two operating intervals 10 of the pump unit 2.
- operating points from the last operating interval can be used, which have been approached in the context of the regulation or specifically for later redetermination of the plant map H A (Q, h) and / or the power consumption map P (Q, n).
- step 28 after FIG. 2 For example, the following measures may be useful:
- the pump unit 2 can preferably be operated at regular intervals, for example every 3 hours, at rated speed n 0 . This results in that the pressure line 6 and the subsequent sequence 5 are flushed through. Alternatively, such flushing can take place when the recalculation of the plant characteristic field indicates that the pipeline resistance has increased, in particular increased by a certain amount.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieoptimalen Betrieb eines offenen Pumpensystems (1) zum Flüssigkeitstransport, mit zumindest einem drehzahlregelbaren Pumpenaggregat (2), das die Flüssigkeit aus einem Behältnis (3) fördert. In Abhängigkeit zumindest einer herstellerseitig vorgegebenen Anlagenkennlinie (H A (Q,h)) wird durch Auswertung einer mathematischen Funktion (GI. 12a, 12b), die einem zu fördernden Förderstrom (Q) den dafür benötigten volumenstromspezifischen Energieverbrauch (P Q (Q, h), P Q (n, h)) des Pumpenaggregats (2) zuordnet, diejenige Drehzahl(n opt , n(Q opt ,h)) berechnet, bei der der volumenstromspezifischen Energieverbrauch (P Q (Q opt , h), P Q (n, h)) minimal ist. Das Pumpenaggregat (2) wird dann mit dieser berechneten optimalen Drehzahl (n opt , n(Q opt , h)) betrieben.The invention relates to a method for energy-optimal operation of an open pump system (1) for liquid transport, with at least one variable-speed pump unit (2), which conveys the liquid from a container (3). As a function of at least one system characteristic curve HA (Q, h) specified by the manufacturer, the volume-flow-specific energy consumption (PQ (Q, h) required for a delivery flow (Q) to be conveyed is evaluated by evaluating a mathematical function (FIG. PQ (n, h)) of the pump set (2), the one speed (n opt, n (Q opt, h)) is calculated, in which the volume flow-specific energy consumption (PQ (Q opt, h), PQ (n, h) ) is minimal. The pump set (2) is then operated at this calculated optimum speed (n opt, n (Q opt, h)).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieoptimalen Betrieb eines offenen Pumpensystems zum Flüssigkeitstransport, mit zumindest einem drehzahlregelbaren Pumpenaggregat, das die Flüssigkeit aus einem Behältnis fördert. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum energieoptimalen Betrieb eines Abwasser aus einem Pumpensumpf einer Pumpstation fördernden, drehzahlregelbaren Pumpenaggregats.The present invention relates to a method for energy-optimized operation of an open pump system for liquid transport, with at least one variable-speed pump unit, which conveys the liquid from a container. In particular, the invention relates to a method for the energy-optimal operation of a wastewater from a pump sump of a pumping station promotional, variable speed pump unit.
Pumpensümpfe bilden Zwischensammler, in die das Abwasser über einen oder auch mehrere Zuläufe hineinfließt. Der Zulauf bzw. die Zuläufe sind Abwasserkanäle der Abwasserentsorgung. Je nach Größe dieses Pumpensumpfes fasst dieser eine oder mehrere Pumpen, die das Abwasser aus dem Pumpensumpf über eine Druckleitung in eine geodätisch höher gelegene Ablaufleitung pumpen. Diese Ablaufleitung kann ebenfalls ein Abwasserkanal des Kanalnetzes sein und beispielsweise in einen nächsten Zwischensammler oder zu einer Kläranlage führen.Pump sumps form intermediate collectors, into which the wastewater flows in via one or more inlets. The inlet or the inlets are sewer sewers. Depending on the size of this pump sump this summarizes one or more pumps that pump the wastewater from the pump sump via a pressure line in a geodetically higher drain line. This drain line can also be a sewer of the sewer system and lead, for example, in a next intermediate collector or to a sewage treatment plant.
Die Pumpenaggregate in derartigen Abwasserpumpstationen werden heutzutage überwiegend ungeregelt bzw. mittels Zweipunktregelung betrieben, bei der die Pumpe lediglich zyklisch oder nach Bedarf an und ausgeschaltet wird. Die Aktivierung und Deaktivierung erfolgt in Abhängigkeit des Pegelstandes im Pumpensumpf beispielsweise gesteuert über einen Schwimmer. Häufige Ein-Aus-Wechsel führen jedoch zu einem erhöhten Verschleiß der Pumpenaggregate und zu einem erhöhten Energieverbrauch.The pump units in such sewage pumping stations are nowadays predominantly unregulated or operated by means of two-step control, in which the pump is switched on and off only cyclically or as needed. The activation and deactivation takes place depending on the water level in the pump sump, for example controlled by a float. Frequent on-off changes, however, lead to increased wear of the pump units and increased energy consumption.
Es sind jedoch auch Pumpstationen bekannt, deren Pumpenaggregate Frequenzumformer zur Drehzahlregelung besitzen, so dass die Pumpe bedarfsgerecht geregelt werden kann. Eine solche Abwasserpumpstation ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
Die
Im Hinblick auf den Energieverbrauch des Pumpenaggregates ist festzustellen, dass der Anteil der Energiekosten an den Lebenszykluskosten bei Abwasserpumpen sowohl bei niedriger als auch bei hoher Betriebszeit mit ca. 40% bis ca. 80% Energiekosten sehr hoch ist. Starke Beschleunigungsvorgänge oder der Betrieb der Pumpe bei hohen Drehzahlen während das zu fördernde Medium stark Stückgut behaftet ist, führen zur hohen Energieverbräuchen, die nicht unbedingt notwendig wären.With regard to the energy consumption of the pump unit, it can be stated that the share of energy costs in the life-cycle costs of wastewater pumps is very high at around 40% to around 80% energy costs, both with low and high operating times. Strong acceleration processes or the operation of the pump at high speeds while the medium to be transported is heavily burdened with general cargo, lead to high energy consumption, which would not necessarily be necessary.
Die Herausforderung einer energieeffizienteren Regelung betrifft offene Pumpensysteme im Allgemeinen.The challenge of more energy-efficient control is open pump systems in general.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für ein offenes Pumpensystem respektive für ein eine Flüssigkeit aus einem Behältnis fördernden Pumpenaggregat bereitzustellen, das einen im Vergleich zum Stand der Technik energieoptimierten Betrieb und damit eine Minimierung der Energiekosten ermöglicht. Es ist folglich Ziel der Erfindung, eine drehzahlregelbare Pumpe energieeffizient zu steuern. Dabei soll eine energieoptimale Drehzahl bestimmt und angewendet werden.It is therefore an object of the invention to provide an operating method for an open pump system or for a liquid pumping from a container pump unit, which allows energy-optimized operation compared to the prior art and thus minimizing energy costs. It is therefore an object of the invention to energy-efficiently control a variable speed pump. In this case, an energy-optimal speed should be determined and applied.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.This object is achieved by a method having the features of
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum energieoptimalen Betrieb eines offenen Pumpensystems zum Flüssigkeitstransport, mit zumindest einem drehzahlregelbaren Pumpenaggregat vorgeschlagen, das die Flüssigkeit aus einem Behältnis fördert, wobei in Abhängigkeit zumindest einer herstellerseitig vorgegebenen Anlagenkennlinie durch Auswertung einer mathematischen Funktion, die einem zu fördernden Förderstrom den dafür benötigten volumenstromspezifischen Energieverbrauch des Pumpenaggregats zuordnet, diejenige Drehzahl berechnet wird, bei der der volumenstromspezifische Energieverbrauch minimal ist, und das Pumpenaggregat mit dieser berechnete Drehzahl als optimale Drehzahl betrieben wird.According to the invention, a method for energy-optimal operation of an open pump system for liquid transport, proposed with at least one variable speed pump unit, which promotes the liquid from a container, depending on at least one factory given system characteristic curve by evaluating a mathematical function, the one to be conveyed flow required for this Associates volume flow specific energy consumption of the pump set, the one speed is calculated at which the volume flow specific power consumption is minimal, and the pump unit is operated with this calculated speed as the optimum speed.
Das Pumpenaggregat wird somit zumindest sofern keine außergewöhnliche Betriebssituation vorliegt, die eine andere Betriebseinstellung erforderlich macht, stets mit derjenigen Drehzahl betrieben, die zu einem minimalen Energieverbrauch führt.The pump unit is thus at least unless there is an exceptional operating situation that requires a different operating setting, always operated at the speed that leads to a minimum energy consumption.
Das Verfahren ist bei allen offenen Pumpensystemen anwendbar, d.h. solchen Pumpensystemen, die nicht in einem geschlossenen Kreis fördern. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für den Betrieb eines Abwasser aus einem Pumpensumpf einer Pumpstation fördernden, drehzahlregelbaren Pumpenaggregats. Eine andere Anwendung ist beispielsweise der Betrieb einer Bohrlochpumpe, die Grundwasser aus einem Bohrloch fördert.The method is applicable to all open pump systems, i. such pump systems that do not promote in a closed circuit. In particular, the method according to the invention is suitable for the operation of a wastewater from a pump sump of a pumping station, which is capable of speed-controllable pump unit. Another application is, for example, the operation of a well pump that pumps groundwater out of a wellbore.
Es sei angemerkt, dass neben Wasser beliebige Flüssigkeiten gefördert werden können. Das Behältnis für die Flüssigkeit kann eine beliebige offene oder geschlossene, natürliche oder künstliche die Flüssigkeit haltende Stätte sein, insbesondere ein Pumpensumpf, ein Bohrloch, ein Brunnen, Becken, Tank, eine Zisterne, ein Reservoir, See, oder ein Sammler sein.It should be noted that in addition to water any liquids can be promoted. The container for the liquid may be any open or closed, natural or artificial liquid holding site, in particular a sump, a well, a well, basin, tank, a cistern, a reservoir, a lake, or a collector.
Das Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung der beigefügten Figuren beschrieben, das eine Abwasserpumpstation betrifft. Das konkrete Ausführungsbeispiel kann jedoch auf beliebige Pumpensysteme verallgemeinert werden. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine Pumpstation mit einem Pumpensumpf und darin angeordnetem Pumpenaggregat
- Figur 2:
- Ablaufdiagramm des Verfahrens
- Figur 3:
- Ablaufdiagramm des übergeordneten Verfahrens
- Figur 4:
- Grafische Darstellung des spezifischen Energieverbrauchs
- Figur 5:
- Darstellung des zeitlichen Verlaufs des gemessenen Förderstroms bei optimaler Drehzahl.
- FIG. 1:
- a pumping station with a pump sump and pumping unit arranged therein
- FIG. 2:
- Flowchart of the method
- FIG. 3:
- Flowchart of the parent procedure
- FIG. 4:
- Graphical representation of the specific energy consumption
- FIG. 5:
- Representation of the time course of the measured flow at optimal speed.
Für die Ausrüstung einer neuen oder bestehenden Pumpstation mit einer drehzahlregelbaren Abwasserpumpe ist das exakte Beziffern der Energieeinsparung gegenüber der Zweipunktsteuerung ohne Frequenzumrichter oder einen alternativen drehzahlregelbaren Pumpe von großer Bedeutung. Dies kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen, zumal die Anlagenkennlinie aufgrund herstellerseitiger Vorgabe bekannt ist und nicht erst im Betrieb der Pumpstation ermittelt werden muss.For the equipment of a new or existing pumping station with a variable speed sewage pump, the exact quantification of the energy saving compared to the two-point control without frequency converter or an alternative variable-speed pump is of great importance. This can be done with the aid of the method according to the invention, especially as the system characteristic curve is known on the basis of the manufacturer's specification and does not have to be determined first during operation of the pumping station.
In dem Zulauf 4 kann ein Volumenstromsensor angeordnet sein, der über einen fortschreitenden Zeitraum die über den Zulauf 4 in den Pumpensumpf 3 zufließende Wassermenge pro Zeiteinheit misst. Es ist jedoch auch möglich, die Zuflusswerte aus den Pegeländerungen und dem Förderstrom Q des Pumpenaggregats 2 zu berechnen. In diesem Fall wird der Volumenstromsensor nicht benötigt.In the
Dagegen ist ein Volumenstromsensor 9 druckseitig des Pumpenaggregats 2 vorhanden, um den Förderstrom Q des Pumpenaggregats 2 zu messen. Der Volumenstromsensor 9 kann alternativ auch an einer anderen Stelle, insbesondere in der Druckleitung 6 oder dem Ablauf 5 angeordnet sein. Ferner ist es auch möglich, die Förderstromwerte zu berechnen. In diesem Fall wird der Volumenstromsensor 9 ebenfalls nicht benötigt.In contrast, a
Des Weiteren befindet sich im Pumpensumpf 3 ein Füllstandssensor 11, der den Pegelstand h misst. Ein aktueller Pegelstand h wird durch die Linie 7 dargestellt. Für die Bestimmung einer betriebsoptimalen Drehzahl ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, den aktuellen Pegelstand zu ermitteln. Vielmehr kann für die Berechnung auch mit einem konstanten Pegelstand gearbeitet werden, da die Berücksichtigung des aktuellen Pegelstands den energieoptimalen Betrieb nur geringfügig verbessert.Furthermore, a
Die Drehzahlregelung des Pumpenaggregats 2 wird von einer Pumpenelektronik in Gestalt einer Auswerte- und Regelungseinheit 8 durchgeführt, die über eine Steuerungsleitung mit dem Pumpenaggregat 2, insbesondere dessen Elektromotor 2b verbunden ist und wie hier vorzugsweise auch über entsprechende Messleitungen mit dem Volumenstromsensor 9 und/ oder dem Füllstandssensor 11 verbunden sein kann. Es sei angemerkt, dass die Pumpenelektronik 8 entgegen der Darstellung in
Die Pumpenelektronik 8 weist eine Rechenelektronik auf, um numerische Berechnungen durchzuführen, und vorzugsweise auch eine Messelektronik auf, um Messwerte zu verarbeiten. Die Drehzahlregelung des Pumpenaggregats 2 erfolgt in an sich bekannter Weise durch die Ansteuerung eines Frequenzumrichters, der den Elektromotor 2b mit einer zur Erreichung einer Solldrehzahl erforderlichen Spannung geeigneter Höhe und Frequenz beaufschlagt. Der Frequenzumrichter kann direkt baulich am Elektromotor 2b angeordnet oder ebenfalls Teil der entfernten Auswerteund Regelungseinheit 8, oder eine weitere separate Leistungselektronik außerhalb des Pumpensumpfs 3 sein.The
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von dem Grundgedanken aus, dass ein Pumpenaggregat eine Energie ΔE benötigt, um ein bestimmtes Volumen ΔV aus dem Pumpensumpft 3 heraus zu fördern. Aus dieser Erkenntnis kann ein volumenstromspezifischer Energieverbrauch PQ (Q) bestimmt werden, der das Verhältnis der aufgenommenen Leistung P(Q) zum Förderstrom Q beschreibt. Der volumenstromspezifische Energieverbrauch ist ein Maß zur Bewertung der Energieeffizienz und zur größtmöglichen Ausschöpfung des Energieeinsparpotentials. Er bezeichnet gerade die Leistungsaufnahme je gefördertem Kubikmeter Abwasser:
Dieser volumenstromspezifische Energieverbrauch PQ (Q) fällt mit zunehmendem Förderstrom Q ab und steigt dann zu höheren Förderströmen Q wieder an, so dass er im Bereich mittleren Förderstroms Q ein Minimum besitzt. Ein Betrieb in diesem Bereich ist für das Pumpenaggregat 2 energetisch am effizientesten. Das Verfahren sieht nun vor, das Pumpenaggregat gerade so einzustellen, dass dieses energetische Minimum erreicht wird. Nachfolgend werden zwei Varianten beschrieben, dieses Minimum zu ermitteln.This volume flow-specific energy consumption P Q ( Q ) decreases with increasing flow rate Q and then increases again to higher flow rates Q, so that it has a minimum in the range of medium flow rate Q. Operation in this area is the most energy efficient for the
Der prinzipielle Ablauf des Verfahrens nach einer ersten Variante ist in
Das Verfahren nach
Für die konkrete Kombination aus Anlage 1 (Pumpensumpf 3 samt Druckleitung 6 und Kanäle 4, 5 und Pumpenaggregat 2), wird dann zunächst derjenige Förderstrom Qopt gesucht, bei dem die spezifische Energie PQ (Q) minimal ist, Schritt 22. Die Kombination aus Anlage und Pumpenaggregat 2 wird durch die Blöcke 30, 32, 34 und 36 ausgedrückt, welche den mathematischen Zusammenhang bereitstellen, um die volumenstromspezifische Energie PQ (Q) für einen bestimmten Förderstrom zu ermitteln.For the specific combination of Appendix 1 (pump
Die Suche nach dem Minimum der volumenstromspezifischen Energie PQ (Q) kann durch ein beliebiges mathematisches Verfahren nach dem Stand der Technik erfolgen. Im einfachsten Fall wird Q variiert, d.h. die spezifische Energie PQ (Q) für eine Vielzahl verschiedener Förderströme Qi zwischen einem minimalen und einem maximalen Förderstrom jeweils berechnet und anschließend aus den erhaltenen Ergebnissen das Minimum P Q,min gesucht, wobei dann derjenige Förderstrom, der gerade zu diesem Minimum geführt hat, der gesuchte optimale Förderstrom Qopt ist.The search for the minimum of the volume flow specific energy P Q ( Q ) can be made by any mathematical method of the prior art. In the simplest case, Q is varied, ie the specific energy P Q ( Q ) is calculated for a multiplicity of different delivery flows Q i between a minimum and a maximum delivery flow, and then the minimum P Q, min is sought from the results obtained, in which case the delivery flow which has just led to this minimum, the sought optimal flow Q opt .
Zu diesem optimalen Förderstrom Qopt wird dann diejenige Drehzahl n(Qopt, h) berechnet, die erforderlich ist, damit das Pumpenaggregat 2 gerade den optimalen Förderstrom fördert, Schritt 24. Diese optimale Drehzahl n(Qopt, h) wird dann am Pumpenaggregat 2 eingestellt, Schritt 26, bzw. wird das Pumpenaggregat 2 -soweit möglich- auf dieser energieeffizienten Drehzahl n(Qopt, h) betrieben.For this optimum flow rate Q opt that speed is then n (Q opt, h) is calculated, which is required so that the
Zusätzlich können Ausnahmebedingungen in Schritt 28 geprüft werden, welche zu dem Ergebnis führen können, dass für den aktuellen Anlagenzustand eine andere Drehzahl als die berechnete optimale Drehzahl n(Qopt, h) sinnvoll ist. So ist beispielsweise ein Ausnahmezustand, dass der Zulauf den Förderstrom übersteigt oder ein bestimmter Maximalpegel oder oberer Pegelgrenzwert ho im Pumpensumpf 3 erreicht wird. Dies kann dann ein Auslöser dafür sein, dass anstelle der optimalen Drehzahl n(Qopt, h) die Maximaldrehzahl des Pumpenaggregats 2 eingestellt wird, um ein Überlaufen zu verhindern. Im Rahmen der "Prüfung von Ausnahmebedingungen" in Schritt 28 werden folglich eine oder mehrere Bedingungen geprüft, um bestimmte Situationen und/ oder Betriebszustände zu erkennen, die gegebenenfalls eine von der optimalen Drehzahl n(Qopt, h) abweichende Drehzahl erforderlich machen. Diese Prüfung ist jedoch zur Ausführung der Erfindung nicht erforderlich.In addition, exception conditions can be checked in
Wie bereits im Hinblick auf die Blöcke 30, 32, 34 und 36 angemerkt, werden zur Bestimmung der volumenstromstromspezifischen Energieverbrauchs PQ (Q) das Pumpenkennfeld HP(Q, n) und das Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) des zu untersuchenden Pumpenaggregats 2 sowie zumindest eine Anlagenkennlinie HA(Q, h), letztere auch Rohrnetzkennlinie genannt, benötigt.As already noted with regard to
Das Pumpenkennfeld HP(Q, n) beschreibt den Zusammenhang zwischen dem vom Pumpenaggregat 2 geförderten Förderstrom Q bei einer bestimmten Druckdifferenz Δp zwischen der Saugseite und der Druckseite der Pumpe 2a, die in einer entsprechenden Förderhöhe H zum Ausdruck kommt, bei einer bestimmten Drehzahl n. Für jede bestimmte Drehzahl n gibt es eine Pumpenkennlinie HP,n(Q), so dass das Pumpenkennfeld HP(Q, n) auch als eine Vielzahl einzelner Pumpenkennlinien HP,n (Q) betrachtet werden kann. Die grafische Darstellung dieses Zusammenhangs erfolgt zumeist im sogenannten HQ-Diagramm. Für jede Drehzahl n besitzt das Pumpenaggregat 2 folglich eine bestimmte Pumpenkennlinie HP,n(Q), die für die Nenndrehzahl n0 beispielsweise mittels eines Polynoms 2. Grades
beschrieben werden kann, das aufgrund der konstanten Drehzahl n = n0 keine Abhängigkeit von n besitzt. Die Koeffizienten a0, a1 und a2 sind Konstanten.The pump map H P (Q, n) describes the relationship between the funded by the
can be described, which has no dependence on n due to the constant speed n = n 0 . The coefficients a 0 , a 1 and a 2 are constants.
In entsprechender Weise kann auch das Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) aufgestellt werden, das aus einer Vielzahl Leistungskennlinien Pn(Q) bestehend betrachtet werden kann, die jeweils für eine bestimmte Drehzahl n den Zusammenhang zwischen dem Förderstrom Q und der Leistungsaufnahme P beschreiben. Für die Nenndrehzahl n0 kann die Leistungskennlinie Pn0(Q) beispielsweise mittels eines Polynoms 3. Grades
beschrieben werden kann, das aufgrund der konstanten Drehzahl n = n0 keine Abhängigkeit von n besitzt. Die Koeffizienten b0, b1, b2 und b3 sind ebenfalls Konstanten.Similarly, the power consumption map P (Q, n) can be set up, which can be considered from a plurality of power characteristics P n (Q), each for a certain speed n the Describe relationship between the flow rate Q and the power consumption P. For the rated speed n 0 , the power characteristic P n0 (Q) can be determined, for example, by means of a 3rd order polynomial
can be described, which has no dependence on n due to the constant speed n = n 0 . The coefficients b 0 , b 1 , b 2 and b 3 are also constants.
Das Pumpenkennfeld HP(Q, n) und das Leistungskennfeld P(Q, n) werden vom Pumpenhersteller für eine Vielzahl verschiedener Drehzahlen, insbesondere für Nenndrehzahl n0 vermessen und als Messwerte oder in Kurvendiagrammdarstellungen bereitgestellt. Gegebenenfalls werden die Pumpenund Leistungskennlinien auch direkt vom Pumpenhersteller in mathematischer Darstellung in der Art einer Funktion nach Gleichung 2 oder 3 angegeben. Sofern dies nicht erfolgt, können aus den angegebenen Messwerten oder Kurvendarstellungen durch Interpolation oder Approximation nach einer im Stand der Technik an sich bekannten Art und Weise Polynome nach Gleichungen 2 oder 3 mit den entsprechenden Koeffizienten zur Beschreibung der Pumpenkennlinie oder-kennlinien bzw. Leistungskennlinie oder -kennlinien gefunden werden.The pump map H P (Q, n) and the performance map P (Q, n) are measured by the pump manufacturer for a variety of different speeds, in particular for rated speed n 0 and provided as measured values or in curve diagrams. Optionally, the pump and performance characteristics are also presented directly by the pump manufacturer in mathematical representation in the manner of a function according to
Dasselbe gilt letztendlich auch für das Anlagenkennfeld HA(Q, h), das den hydraulischen Zusammenhang zwischen Volumenstrom Q und Förderhöhe H des Pumpsystems 1 beschreibt. Das Anlagenkennfeld HA(Q, h) ist seitens des Betreibers der Pumpstation aufgrund der vorgesehenen Dimensionierung von Zu- und Ablauf 4, 5 sowie der Druckleitung 6 bekannt; letztendlich schon deshalb, um den Pumpenhersteller in die Lage zu versetzen, ein geeignetes Pumpenaggregat auswählen und anbieten zu können. Das Anlagenkennfeld HA(Q, h) ist in der Regel eine Parabel mit einer durch den Rohrleitungswiderstand definierten Steigung, die um die geodätische Höhe Hgeo angehoben ist, wie Gleichungen 4 und 5 beispielhaft beschreiben:
wobei die Koeffizienten d0, d1 und d2 Konstanten sind und h der Pegelstand (Wasserstand) im Pumpensumpf 3 ist. Das Anlagenkennfeld HA(Q, h) gemäß GI. 5 reduziert sich im Falle der Verwendung eines konstanten Pegelstands, z.B. h = ho oder h = h, auf eine Anlagenkennlinie HA(Q) gemäß GI. 4. Um alle Verfahrensvarianten zu umfassen, wird nachfolgend jedoch stets von einer Anlagenkennlinie HA(Q, h), obgleich es sich im Falle der Berücksichtigung des veränderlichen aktuellen Pegelstands h(t) eigentlich um ein Kennfeld handelt. d0 ist der Abstand zwischen dem höchsten Punkt in der angeschlossenen Druckrohrleitung 6 und dem Pumpensumpfboden, sodass sich die geodätische Höhe Hgeo durch d 0 - h gegebenen ist.The same also applies ultimately to the plant map H A (Q, h), which describes the hydraulic relationship between volume flow Q and head H of the
where the coefficients d 0 , d 1 and d 2 are constants and h is the level (water level) in the
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorausgesetzt, dass zumindest eine Anlagenkennlinie HA(Q, h) bekannt ist, d.h. herstellerseitig vorgegeben ist. Dies ist sinnvollerweise im Falle der Verwendung eines konstanten Pegelstands diejenige Anlagenkennlinie für diesen konstanten Pegelstand. Es ist somit im Betrieb des Pumpenaggregats keine Systemidentifikation erforderlich, d.h. keine Ermittlung der Anlagenkennlinie. Vielmehr ist dadurch die Möglichkeit gegeben, bereits vor der Inbetriebnahme des Pumpensystems 1, insbesondere in der Projektierungsphase, einem Kunden zu prognostizieren, wie hoch die Energieeinsparung durch den Betrieb bei der optimalen Drehzahl ist.For the application of the method according to the invention, it is assumed that at least one system characteristic H A (Q, h) is known, that is, specified by the manufacturer. In the case of using a constant water level, this is usefully the plant characteristic curve for this constant water level. It is thus no system identification required during operation of the pump set, ie no determination of the system characteristic. Rather, this gives the possibility, even before the commissioning of the
Vorzugsweise sind auch das Pumpenkennfeld HP(Q, n) und das Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) herstellerseitig vorgegeben, so dass auch hier keine messtechnischen Ermittlungen im Betrieb des Pumpenaggregats erforderlich sind.Preferably, the pump map H P (Q, n) and the power consumption map P (Q, n) are specified by the manufacturer, so that again no metrological investigations during operation of the pump unit are required.
Für die Aufstellung der mathematischen Funktion, die einem zu fördernden Förderstrom Q den dafür benötigten spezifischen Energieverbrauch PQ(Q, h) unter Berücksichtigung der Anlagenkennlinie HA(Q, h) zuordnet, werden die Pumpenkennlinien und Leistungsaufnahmekennlinien nicht nur für bestimmte diskrete Drehzahlen sondern für alle Drehzahlen benötigt. Selbiges ist erforderlich, um zu ermitteln, welche Drehzahl n das Pumpenaggregat 2 benötigt, um einen bestimmten Förderstrom Q zu fördern. Das heißt, es muss das gesamte Pumpenkennfeld und Leistungsaufnahmekennfeld des Pumpenaggregats bekannt sein. Wie bereits ausgeführt, kann eine vollständige Vermessung und Angabe des jeweiligen Kennfelds als Messwerte oder als Polynome durch den Pumpenhersteller erfolgen.For the preparation of the mathematical function, which allocates the specific energy consumption P Q (Q, h), taking into account the system characteristic H A (Q, h), to a conveying flow Q to be conveyed, the pump characteristics and power consumption characteristics do not become specific only discrete speeds but needed for all speeds. The same is necessary to determine what speed n the
Das Pumpenkennfeld HP(Q, n) und Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) können alternativ beispielsweise dadurch mathematisch beschrieben werden, dass nur die Pumpenkennlinie HP,n0(Q) für die Nenndrehzahl n0 und nur die Leistungsaufnahmekennlinie Pn0(Q) für Nenndrehzahl n0 zu Grunde gelegt und jeweils die Affinitätsgesetzte (H ~ n2; P ~ n3) angewendet werden. Auf diese Weise kann für eine beliebige Drehzahl n die entsprechende Pumpenkennlinie HP,n(Q, n) anhand von Gleichung 6 sowie die Leistungsaufnahmekennlinie Pn(Q, n) anhand von Gleichung 7 angegeben werden,
wobei ηges einen Gesamtwirkungsgrad beschreibt, der sich aus dem Produkt mehrerer Wirkungsgrade, insbesondere dem Wirkungsgrad des Frequenzumrichters, des Elektromotors 2a und einer etwaigen Kupplung gebildet ist.The pump map H P (Q, n) and power consumption map P (Q, n) can alternatively be mathematically described, for example, by only the pump characteristic H P, n0 (Q) for the rated speed n 0 and only the power consumption curve P n0 (Q) are used as the basis for the nominal rotational speed n 0 and the affinity laws (H ~ n 2 , P ~ n 3 ) are used. In this way, for an arbitrary speed n, the corresponding pump characteristic H P, n (Q, n) can be given from
where η ges describes an overall efficiency, which is formed from the product of several efficiencies, in particular the efficiency of the frequency converter, the
Die Verwendung der Affinitätsgesetzte hat somit den Vorteil, dass lediglich eine Pumpenkennlinie HP,n0(Q) und eine Leistungsaufnahmekennlinie Pn0(Q), nämlich vorzugsweise jeweils bei Nenndrehzahl n0 bekannt sein braucht, um das gesamte Pumpenkennfeld HP(Q, n) bzw. Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) zu beschreiben. Zur Berücksichtigung eines reduzierten Wirkungsgrades bei abnehmender Drehzahl n kann das den Gesamtwirkungsgrad ηges bildende Produkt z.B. eine Funktion fη (n) der Gestalt
enthalten, wobei der Parameter c eine nicht negative Konstante ist. Dabei bedeutet ein Parameter c = 0, dass der Wirkungsgrad trotz abnehmender Drehzahl n konstant bleibt. Liegen Messwerte für verschiedene Drehzahlen vor, so kann der Parameter c so bestimmt werden, dass das resultierende Kennfeld optimal zu den Messdaten passt. Alternativ können sämtliche Messpunkte interpoliert und so ein Leistungsaufnahmekennfeld generiert werden.The use of the affinity statements thus has the advantage that only a pump characteristic H P, n0 (Q) and a power consumption characteristic P n0 (Q), namely preferably at rated speed n 0 , need to be known in order to obtain the entire pump characteristic H P (Q, n ) or power consumption map P (Q, n). To take into account a reduced efficiency with decreasing speed n, the product forming the overall efficiency η ges can be, for example, a function f η ( n ) of the shape
contain, wherein the parameter c is a non-negative constant. A parameter c = 0 means that the efficiency remains constant despite decreasing speed n. If measured values for different rotational speeds are available, the parameter c can be determined such that the resulting characteristic map optimally matches the measured data. Alternatively, all measuring points can be interpolated and thus a power consumption map can be generated.
Für die erfindungsgemäße Drehzahlregelung ist zu beachten, dass zwar theoretisch bei jedem beliebigen Wasserstand im Pumpensumpf 3 jeder Punkt auf der Anlagenkennlinie realisiert werden kann, jedoch muss in der Praxis von Pumpenaggregaten in Abwasserpumpstationen berücksichtigt werden, dass die Drehzahl lediglich in gewissen Grenzen geregelt werden sollte, d.h. zwischen einem minimalen Drehzahlwert nmin und einem maximalen Drehzahlwert nmax. Der maximale Drehzahlwert nmax kann beispielsweise mit der Nenndrehzahl n0 gleichgesetzt werden. Der minimale Drehzahlwert nmin kann beispielsweise die halbe Nenndrehzahl n0 betragen.For the speed control according to the invention, it should be noted that although theoretically any point in the
Wird das Pumpenkennfeld HP(Q, n) gemäß Gleichung 6 gewählt und die Pumpenkennlinie HP,n0(Q) bei Nenndrehzahl n0 durch ein quadratisches Polynom gemäß Gleichung 2 approximiert, kann für jeden Förderstrom Q und einem Pegelstand h (= h(t) oder h oder ho) im Pumpensumpf 3 die einzustellende Drehzahl n aus der Erkenntnis berechnet werden, dass sich nur Betriebspunkte entlang der Anlagenkennlinie HA(Q, h) einstellen können. Dies bedeutet, dass für diese Betriebspunkte die eine beliebige Pumpenkennlinie HP,n(Q, n) im Kennfeld beschreibende Gleichung 6 dieselben HQ-Werte ergibt, wie die Anlagenkennlinie HA(Q, h), so dass die Gleichungen 5 und 6 gleichgesetzt und daraus die zur Förderung eines bestimmten Förderstroms Q einzustellende erforderliche Drehzahl n ermittelt werden kann. Denn die gesuchte Drehzahl n ergibt sich gerade als Lösung der Gleichung HP,n (Q, n) = HA (Q, h). Es ergibt sich dann die folgende Funktion:
Die Leistungsaufnahme P(Q, n) für einen beliebigen Förderstrom Q und eine bestimmte Drehzahl n, berechnet sich nach Gleichung 7. In dieser Gleichung 7 kann die allgemeine Drehzahl n durch diejenige Drehzahl n(Q, h) ersetzt werden, die gerade erforderlich ist, um bei einer bestimmten Füllstandshöhe h einen bestimmten Förderstrom Q zu erreichen. D.h. Drehzahl n kann durch den rechten Teil von Gleichung 9 ersetzt werden:
Man erhält damit einen mathematischen Ausdruck zur Bestimmung der Leistungsaufnahme P, der nicht mehr abhängig von der Drehzahl n, sondern nur noch abhängig vom Pegelstand h und dem Förderstrom Q ist. Somit kann nach Gleichung 11a die Leistungsaufnahme P̃(Q, h) für jeden Pegel h berechnet werden, wobei gleichzeitig sichergestellt wird, dass der Förderstrom Q auf der Anlagenkennlinie HA(Q) liegt:
Der volumenstromspezifische Energieverbrauch PQ(Q, h) ergibt sich dann dadurch, dass die Leistungsaufnahme P̃(Q, h) auf den Förderstrom Q bezogen, d.h. durch ihn geteilt wird:
Der energetisch optimale Förderstrom Qopt wird durch Minimierung des spezifischen Energieverbrauchs PQ(Q, h) über dem Förderstrom Q für einen bestimmten, insbesondere den gemessenen Pegelstand h(t) erechnet.
Das heißt, es wird derjenige Förderstrom Qopt berechnet, bei dem der Energieverbrauch (PQ(Qopt, h)) minimal ist, siehe Schritt 22 in
Die beschriebene erste Variante des Verfahrens sieht folglich vor, dass zunächst der optimale Förderstrom Qopt ermittelt wird, vorzugsweise nach Gleichung 13, und anschließend diejenige Drehzahl n(Qopt, h) berechnet wird, vorzugsweise nach Gleichung 9a, die bei dem Pumpenaggregat 2 eingestellt werden muss, damit es den gewünschten optimalen Förderstrom Qopt fördert.The described first variant of the method therefore provides that initially the optimum delivery flow Q opt is determined, preferably according to Equation 13, and subsequently that rotational speed n (Q opt , h) is calculated, preferably according to Equation 9a, which is set in the
Gemäß der zweiten Variante des Verfahrens wird die optimale Drehzahl nopt direkt aus der Minimierung des volumenstromspezifischen Energieverbrauchs berechnet, indem dieser über die Drehzahl n minimiert wird. Dies hat den Vorteil, dass nicht erst der optimale Förderstrom berechnet werden muss. Dies setzt allerdings voraus, dass die den volumenstromspezifischen Energieverbrauch beschreibende Funktion nicht vom Förderstrom Q abhängig ist. Die Herleitung einer entsprechenden Berechnungsvorschrift wird nachfolgend wiedergegeben. Dabei werden nur diejenigen Aspekte der zweiten Variante des Verfahrens erläutert, die zu der ersten Variante unterschiedlich sind. Im Übrigen gelten die vorstehenden Erläuterungen zu der ersten Variante für die zweite Variante ebenfalls.According to the second variant of the method, the optimum speed n opt is calculated directly from the minimization of the volume-flow-specific energy consumption by minimizing it over the speed n. This has the advantage that not only the optimum flow must be calculated. However, this presupposes that the function describing the volume flow-specific energy consumption is not dependent on the flow rate Q. The derivation of a corresponding Calculation rule is reproduced below. Only those aspects of the second variant of the method that are different from the first variant will be explained. Incidentally, the above explanations to the first variant for the second variant also apply.
Wie zuvor zur ersten Variante erläutert, liegen alle Betriebspunkte des Pumpenaggregats 2 dort, wo sich das eine aktuelle Kennlinie aus dem Pumpenkennfeld HP(Q, n) und die Anlagenkennlinie HA(Q, h) schneiden. Diese Schnittmenge kann durch eine Gleichsetzung der Gleichungen 5 und 6 beschrieben und ermittelt werden. In Gleichung 9a war die Schnittmenge nach der Drehzahl n(Q, h) aufgelöst, die für den Erhalt eines bestimmten Förderstroms Q bei einem bestimmten Pegel h erforderlich ist. Die Schnittmenge kann jedoch auch nach dem Förderstrom Q(n, h) aufgelöst werden, der sich bei der Einstellung einer bestimmten Drehzahl n bei einem Pegel h ergibt. Ein bestimmter, gesuchter Förderstrom Q ergibt sich dann gerade als Lösung der Gleichung HP,n (Q, n) = HA (Q, h). Es ergibt sich dann die folgende Funktion:
Die Leistungsaufnahme P(Q, n) für einen beliebigen Förderstrom Q und eine bestimmte Drehzahl n, berechnet sich nach Gleichung 7. In dieser Gleichung 7 kann der allgemeine Förderstrom Q durch Q(n, h) ersetzt werden. Dies ist gerade derjenige Förderstrom, der sich bei einer bestimmten Füllstandshöhe h und der Drehzahl n einstellt. D.h. der Förderstrom Q kann durch den rechten Teil von Gleichung 9b ersetzt werden:
Man erhält damit einen mathematischen Ausdruck zur Bestimmung der Leistungsaufnahme Pn(Q(n, h),n), der nicht mehr abhängig vom Förderstrom Q, sondern nur noch abhängig vom Pegelstand h und der Drehzahl n ist. Somit kann nach Gleichung 11 a die Leistungsaufnahme P(n, h) für einen beliebigen Pegel h berechnet werden, die sich bei Einstellen einer bestimmten Drehzahl n ergibt:
Der volumenstromspezifische Energieverbrauch PQ(n, h) ergibt sich wie bei der ersten Variante dadurch, dass die pegelstandsabhängige Leistungsaufnahme P̃(n,h) auf den Förderstrom Q bezogen, d.h. durch ihn geteilt wird. Als pegelstandsabhängige Leistungsaufnahme wird nun jedoch ein mathematischer Ausdruck verwendet, der nur noch von der Drehzahl und dem Pegelstand abhängig ist, wobei auch hier wieder ein konstanter Pegelstand Verwendung finden kann:
Die energetisch optimale Drehzahl nopt wird dann durch Minimierung des spezifischen Energieverbrauchs PQ(n, h) über der Drehzahl für einen bestimmten, insbesondere den gemessenen Pegelstand h(t) berechnet.
Beim energieeffizienten Betrieb des drehzahlregelbaren Pumpenaggregats 2 sollte darauf geachtet werden, dass der optimale Förderstrom Qopt nicht unterschritten wird, da der spezifische Energieverbrauch bei kleineren Drehzahlen stark ansteigt. So lange und so oft es möglich ist, sollte das Pumpenaggregat 2 mit der optimalen Drehzahl nopt oder n(Qopt, h) betrieben werden. Dies sollte sinnvollerweise zumindest dann der Fall sein, wenn der Zufluss Qin den Wert des optimalen Förderstroms Qopt nicht übersteigt, d.h. weniger Wasser in den Pumpensumpf 3 hinein läuft als herausgepumpt wird.When energy-efficient operation of the variable
Vorzugsweise sind das Pumpenkennfeld HP(Q, n), das Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) und die Anlagenkennlinie HA(Q, h) in der dem Pumpenaggregat 2 zugeordneten Pumpenelektronik 8 hinterlegt. Das Pumpenaggregat (2) kann dann die optimale Drehzahl selbsttätig berechnen und einstellen.Preferably, the pump characteristic H P (Q, n), the power consumption map P (Q, n) and the system characteristic H A (Q, h) in the
Vorzugsweise wird das Pumpenaggregat 2 in Betriebsintervallen 10 betrieben, wobei die berechnete optimale Drehzahl für ein Betriebsintervall am Pumpenaggregat 2 eingestellt wird. Ein solches Betriebsintervall 10 ist in
Die Berechnung der optimalen Drehzahl nopt, n(Qopt, h) kann grundsätzlich zu jedem Zeitpunkt erfolgen. Wird das Pumpenaggregat aber in Betriebsintervallen betrieben, so wird die ermittelte optimale Drehzahl natürlich erst bei dem nächsten Betriebsintervall eingestellt. Insbesondere kann aber die Berechnung sowohl vor als auch während eines Betriebsintervalls erfolgen.The calculation of the optimal speed n opt , n (Q opt , h) can basically be done at any time. However, if the pump set is operated at operating intervals, the determined optimum speed will, of course, only be set at the next operating interval. In particular, however, the calculation can take place both before and during a service interval.
Geeigneterweise wird das Pumpenaggregat 2 eingeschaltet, wenn ein vorgegebener oberer Pegelgrenzwert ho erreicht oder überschritten wird, und abgeschaltet, wenn ein vorgegebener unterer Pegelgrenzwert hu erreicht oder unterschritten wird. Dies entspricht einer Zweipunktsteuerung des Pumpenaggregats 2. Für den Zeitraum dieses Betriebsintervalls wird das Pumpenaggregat 2 idealerweise mit der berechneten optimalen Drehzahl nopt, n(Qopt, h) betrieben.Suitably, the
Bei dieser beispielhaften, pegelstandsabhängigen Aktivierung des Pumpenaggregats wird deutlich, dass der Pegelstand h grundsätzlich nicht als veränderliche Größe in die Berechnung der optimalen Drehzahl eingehen muss. Denn wenn das Pumpenaggregat erst bei Erreichen des oberen Pegelgrenzwert ho eingeschaltet wird, liegt ohnehin der aktuelle Pegelstand in etwa bei diesem oberen Pegelgrenzwert ho, so dass dieser stets für die Berechnung der optimalen Drehzahl nopt, n(Qopt, ho) verwendet werden kann. Wird die optimale Drehzahl nopt, n(Qopt, h) während eines Betriebsintervalls erneut berechnet, kann der aktuelle oder ein mittlerer Pegelstand für die Berechnung verwendet werden.In this exemplary level-dependent activation of the pump set, it becomes clear that the level h generally does not have to enter into the calculation of the optimum speed as a variable. Because if the pump unit is turned on only when reaching the upper level limit h o , anyway the current level is approximately at this upper level limit h o , so this always for the calculation of the optimal speed n opt , n (Q opt , h o ) can be used. If the optimum speed n opt , n (Q opt , h) is recalculated during an operating interval, the current or average level can be used for the calculation.
Der obere Pegelgrenzwert ho kann beispielsweise zwischen 75% und 85% eines maximalen Pegelstands hmax betragen. Der untere Pegelgrenzwert hu kann beispielsweise der Minimalpegel hmin sein oder zwischen 25% und 35% des maximalen Pegelstands hmax betragen.The upper level limit h o may be, for example, between 75% and 85% of a maximum level h max . The lower level limit h u may, for example, be the minimum level h min or between 25% and 35% of the maximum level h max .
Es ist aber von Vorteil, wenn der Wasserstand im Pumpensumpf 3 so hoch es geht gehalten wird. Hierdurch werden die geodätische Höhe Hgeo und somit die Reibungsverluste reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass der untere Pegelgrenzwert hu vergleichsweise hoch gewählt wird, beispielsweise zwischen 40% und 60% des maximalen Pegelstands hmax. In diesem Fall wird das Pumpenaggregat 2 also so betrieben, dass der Pegel h im Pumpensumpf 3 zwischen 40% und 85%, vorzugsweise zwischen 50% und 75% gehalten wird.However, it is advantageous if the water level in the
Wird das Pumpenaggregat 2 bei oder nach dem Erreichen des oberen Pegelgrenzwerts ho eingeschaltet, wird solange gepumpt, bis der untere Pegelgrenzwert hu erreicht ist. Das Pumpenaggregat 2 wird dann wieder abgeschaltet und erst dann wieder eingeschaltet, wenn der obere Pegelgrenzwert ho erreicht ist. Hierdurch wird ein Betrieb in der Art einer Hysterese realisiert.If the
Während des Betriebsintervalls 10 kann das Pumpenaggregat 2 konstant mit der optimalen Drehzahl betrieben werden. Alternativ kann während des Betriebs die optimale Drehzahl immer wieder neu berechnet und eingestellt werden, um den aktuellen Füllstand h zu berücksichtigen. In dem Fall wird das Pumpenaggregat 2 nicht mit einer festen Drehzahl betrieben. Vielmehr wird die Betriebsdrehzahl an den Füllstand 7 im Pumpensumpf 3 angepasst, d.h. die für den jeweiligen Füllstand 7 optimale Drehzahl nopt, n(Qopt, h) eingestellt. Dies kann insbesondere auch dann erfolgen, wenn der obere Grenzpegel ho schon unterschritten, d.h. die Bedingung in Schritt 21 nicht (mehr) erfüllt ist, der untere Grenzpegel hu aber noch nicht erreicht ist, d.h. auch die Bedingung in Schritt 23 noch nicht erreicht ist. Dies ist in
Sinnvollerweise erfolgt die Zweipunktsteuerung nur dann und insbesondere nur solange der Zufluss Qin kleiner als der berechnete optimale Förderstrom Qopt ist, da der Pegel anderenfalls weiter steigt und der Pumpensumpf 3 unter Umständen überlaufen könnte.Logically, the two-point control is performed only then, and in particular only as long as the flow Q in smaller than the calculated optimal flow rate Q opt, since the level otherwise continues to increase and the
Ist der Zufluss Qin größer als der aktuelle Förderstrom Q, kann anstelle des Betriebs des Pumpenaggregats 2 mit optimaler Drehzahl nopt eine höhere Drehzahl als die optimale Drehzahl nopt, n(Qopt,h) eingestellt werden, beispielsweise die Maximaldrehzahl nmax oder eine solche Drehzahl, mit welcher ein vorgegebener Pegelstand realisiert wird, vorzugsweise der obere Pegelgrenzwert ho. Anstelle einer Überprüfung, ob der Zufluss Qin größer als der berechnete optimale Förderstrom Qopt ist, kann geprüft werden, ob der Pegelstand h im Pumpensumpf 3 einen Maximalpegel hmax erreicht oder überschreitet. Dies kann Gegenstand der Überprüfung in Schritt 25 von
Im Laufe des Betriebs kann sich die Anlagenkennlinie HA(Q, h) des Pumpensystems, d.h. die Koeffizienten d0, d1, d2, nach Gleichung 4 bzw. 5 ändern, beispielsweise aufgrund von Ablagerungen, die zu einem höheren Strömungswiderstand führen. Da die Anlagenkennlinie HA(Q, h) für die Berechnung des optimalen Förderstroms Qopt bzw. der optimalen Drehzahl nopt, n(Qopt, h) aber zwingend erforderlich ist, kann sie im Betrieb neu bestimmt werden, bzw. die Koeffizienten d0, d1, d2 angepasst werden.In the course of operation, the system characteristic curve H A (Q, h) of the pump system, ie the coefficients d 0 , d 1 , d 2 , can change according to
Dies kann anhand von mindestens drei Betriebspunkten des Pumpenaggregats 2 erfolgen, wobei insbesondere der Förderstrom Qi für mindestens drei verschiedene Drehzahlen ni ermittelt wird. Der Förderstrom Q kann beispielsweise mittels des Volumenstromsensors 9 gemessen werden. Eine Anzahl von mindestens drei verschiedenen Drehzahlen ni wird innerhalb eines bestimmten Zeitraums gefahren. Dieser Zeitraum kann ein oder mehrere Betriebsintervalle 10, vorzugsweise drei Betriebsintervalle 10 umfassen. Dies hat den Vorteil, dass das Pumpenaggregat 2 in jedem Betriebsintervall 10 mit nur einer Drehzahl n, die dann vorzugsweise die erfindungsgemäß berechnete optimale Drehzahl nopt, n(Qopt, h) entsprechen kann. Der Zeitraum kann beispielsweise 24 Stunden betragen.This can be done on the basis of at least three operating points of the
Idealerweise wird das Anfahren der verschiedenen Drehzahlen ni in Abständen, insbesondere regelmäßig, vorzugsweise einmal pro Tag wiederholt, um die Anlagenkennlinie HA(Q, h) quasi kontinuierlich zu überwachen bzw. eine Veränderung der Anlagenkennlinie (z.B. Ablagerungen, Verstopfung) zu erkennen. Ferner ist es von Vorteil, wenn jede Drehzahl ni eine bestimmte Anzahl von Malen wiederholt, beispielsweise jeweils zweimal angefahren wird, um Messfehler oder Berechnungsfehler auszugleichen.Ideally, the start-up of different speeds is n i in intervals, in particular periodically, preferably repeated once per day to the system curve H A (Q, h) to quasi-continuously monitor and detect a change in the system characteristics (eg, deposits, constipation). Furthermore, it is advantageous if each rotational speed n i repeats a certain number of times, for example twice in each case, in order to compensate for measurement errors or calculation errors.
So kann das Pumpenaggregat 2 beispielsweise während sechs Betriebsintervallen 10 mit drei verschiedenen Drehzahlen ni betrieben werden, d.h. jeweils ein Betriebsintervall 10 mit einer festen Drehzahl n und zwei Betriebsintervalle 10 mit der gleichen Drehzahl. Um die Genauigkeit der Bestimmung der Anlagenkennlinie HA(Q, h) zu erhöhen, ist es von Vorteil, mehr als drei, beispielsweise vier verschiedene Drehzahlen zu verwenden. Entsprechend können diese vier Drehzahlen ni während acht Betriebsintervallen 10 gefahren werden.Thus, the
Für jedes Betriebsintervall 10 kann jeweils ein Förderstrom Q̌ und ein Pegel ȟ als Mittelwert der Förderströme Q bzw. der Wasserstände h des entsprechenden Betriebsintervalls 10 bestimmt werden. Die Pegelbestimmung kann durch Messung des Pegels h mittels Sensor 11 und rechnerische Mittelwertbildung erfolgen. Die Förderstrombestimmung kann ebenfalls durch Messung des Förderstroms mittels Sensor 9 und rechnerische Mittelwertbildung erfolgen.For each operating
Unter Verwendung des Pumpenkennfeldes HP(Q,n) kann dann für eine der verwendeten Drehzahlen ni die Förderhöhe Ȟ bestimmt werden, beispielsweise nach Gleichung 6. Alternativ kann die Berechnung der Förderhöhe Ȟ auch anhand der in Gleichung 6 eingesetzten Gleichung 9a unter Verwendung des Pegelstands ȟ erfolgen. Die Drehzahl ni wird dann nicht benötigt.Using the pump characteristic map H P (Q, n), the delivery head Ȟ can then be determined for one of the rotational speeds n i used, for example according to
Die Anlagenkennlinie HA (Q,ȟ) nach Gleichung 5 respektive ihre Koeffizienten d1, d2 können dann durch Approximation so bestimmt werden, dass die Anlagenkennlinie HA (Q,ȟ) optimal zu den Werte-Tripeln (Q̌i, ȟi, Ȟi ), i = 1, ..., m·n, für die m Mal verwendeten n Drehzahlen passt. Insbesondere kann dann auch der Abstand d0 zwischen dem Pumpensumpfboden 3 und der geodätisch höchsten Stelle der Druckleitung 6 ermittelt werden.The system characteristic H A ( Q, ȟ ) according to
Auf diese Weise kann nicht nur zu Beginn des Verfahrens sondern auch dynamisch während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Pumpenaggregats 2 die mathematische Beschreibung des Anlagenkennfeldes HA (Q,h) immer wieder auf den aktuellen Zustand des Pumpensystems 1 angepasst werden. Ein erhöhter Rohrleitungswiderstand, beispielsweise infolge von Ablagerungen in der Druckleitung 6, kann dann unmittelbar bei der energieeffizienten Regelung gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden.In this way, not only at the beginning of the method but also dynamically during the intended use of the
Auf Basis des aktuellen Leistungsaufnahmekennfeldes P(Q, n) kann im Anschluss an eine Neubestimmung des aktuellen Anlagenkennfeldes HA (Q,h) der spezifische Energieverbrauch PQ (Q,n) und die energetisch optimale Drehzahl nopt, n(Qopt, h) berechnet werden. Dies erfolgt vorzugsweise zwischen zwei Betriebsintervallen 10 für einen bestimmten Pegelstand h, beispielsweise für den oberen Pegelgrenzwert ho oder für eine Vielzahl verschiedener Pegel h. Die berechnete Drehzahl nopt, n(Qopt, h) wird dann für das nächste Betriebsintervall 10 verwendet.On the basis of the current power consumption map P (Q, n), following a redetermination of the current system map H A ( Q, h ), the specific energy consumption P Q ( Q, n ) and the energy-optimal rotational speed n opt , n (Q opt , h) are calculated. This is preferably carried out between two operating
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können gleitende Werte-Tripel (Q̌i , ȟi, Ȟi) verwendet werden. Dies bedeutet, dass zwar die Anzahl der Werte-Tripel gleich bleibt, jedoch ein altes, insbesondere das zeitlich zuerst ermittelte Werte-Tripel (Q̌ 1, ȟ 1, Ȟ 1) verworfen und ein neues Werte-Tripel (Q̌ m·n, ȟm·n , Ȟm·n ) hinzugenommen, insbesondere hinten angefügt wird. Hierzu kann nach Beendigung des Betriebsintervalls 10 ein weiterer über das Betriebsintervall 10 gemittelter Förderstrom Q̌m.n und Pegel ȟm·n und daraus die Förderhöhe Ȟm.n ermittelt, werden. Anschließend kann dann das Anlagenkennfeld HA (Q,h) unter Hinzunahme der bereits vorhandenen Werte (Q̌i, ȟi, Ȟi ), i = 1, ..., (m·n) -1 aktualisiert werden. Unter Verwendung des neuen Anlagenkennfeldes HA (Q,h) kann dann eine neue optimale Drehzahl nopt, n(Qopt, h) berechnet und für das nächste Betriebsintervall 10 verwendet werden. Das Verfahren beginnt dann wieder von vorn.According to an advantageous development of the invention, sliding value triplets ( Q̌ i , ȟ i , Ȟ i ) can be used. This means that, although the number of value triplets remains the same, however, an old value triple ( Q̌ 1, ȟ 1 , Ȟ 1 ), in particular the value first determined temporally first, is discarded and a new value triple ( Q̌ m · n , ȟ m · n , Ȟ m · n ) is added, in particular added at the back. For this purpose, after the end of the operating
Ausgehend von der vorgegebenen Anlagenkennlinie HA(Q,h) kann eine Überwachung des Pumpensystems dadurch erfolgen, dass im Betrieb des System wiederholt die Anlagenkennlinie HA(Q,h) erneut bestimmt wird und die neuen Koeffizienten d0, d1, d2, mit den ursprünglichen Koeffizienten verglichen werden. Eine Abweichung, insbesondere eine zunehmende Abweichung oder eine Abweichung um einen bestimmten Betrag deutet auf eine Verschlechterung des Anlagenzustands, beispielsweise auf eine Ablagerung in der Druckleitung hin.Starting from the predetermined system characteristic curve H A (Q, h), the pump system can be monitored by repeatedly determining the system characteristic H A (Q, h) during operation of the system and the new coefficients d 0 , d 1 , d 2 to be compared with the original coefficients. A deviation, in particular an increasing deviation or a deviation by a certain amount, indicates a deterioration of the plant condition, for example a deposit in the pressure line.
Zusätzlich oder alternativ zur Neubestimmung der Anlagenkennlinie HA(Q, h) kann auch eine Korrektur des Leistungsaufnahmekennfeldes P(Q, n), d.h. eine Neubestimmung der Koeffizienten b0, b1, b2 und b3 in Gleichung 3 erfolgen. Hierfür wird eine Anzahl von mindestens vier verschiedenen Betriebspunkten verwendet und jeweils die Istdrehzahl ni, der Förderstrom Qi und die elektrische Leistungsaufnahme Pi ermittelt. Die elektrische Leistungsaufnahme Pi und die Drehzahl ni können gemessen oder rechnerisch aus elektrischen Größen des Frequenzumrichters bestimmt werden. Der Förderstrom Q kann ebenfalls gemessen werden. Aus diesen Werten Qi, Pi und ni kann das Leistungsaufnahmekennfeld P(Q, n) neu approximiert werden, vorzugsweise durch die mathematischen Methoden der Ausgleichsrechnung. Je mehr Betriebspunkte hierfür zur Verfügung stehen, umso genauer ist die Approximation. Vorteilhafterweise kann daraus dann auch der Parameter c aus Gleichung 8 bestimmt werden. Das Leistungskennfeld P(Q, n) wird dadurch besser abgebildet und damit auch die spezifische Energie genauer berechnet.In addition or as an alternative to redetermining the system characteristic curve H A (Q, h), it is also possible to correct the power consumption characteristic map P (Q, n), ie to redetermine the coefficients b 0 , b 1 , b 2 and b 3 in
Vorzugsweise kann die Neubestimmung der Anlagenkennlinie HA(Q, h) und/ oder des Leistungsaufnahmekennfelds P(Q, n) zwischen zwei Betriebsintervallen 10 des Pumpenaggregats 2 erfolgen. Dabei können Betriebspunkte aus dem letzten Betriebsintervall verwendet werden, die im Rahmen der Regelung oder speziell zur späteren Neubestimmung des Anlagenkennfelds HA(Q, h) und/ oder des Leistungsaufnahmekennfelds P(Q, n) angefahren worden sind.Preferably, the redetermination of the system characteristic H A (Q, h) and / or of the power consumption map P (Q, n) can take place between two operating
Als Ausnahmebedingungen, die in Schritt 28 nach
Übersteigt der Zulauf Qin den Förderstrom Qopt bei optimaler Drehzahl nopt, n(Qopt, h) ist es von Vorteil, die Drehzahl gerade so anzupassen, dass der Pegelstand h nicht weiter steigt. Dies bedeutet, dass der aus dem Pumpensumpf 3 heraus zu fördernde Förderstrom Q gerade dem Zufluss Qin entsprechen muss. Die hierfür erforderliche Drehzahl n(Q=Qin, h) kann z.B. mit Gleichung 9a berechnet werden, indem für den Förderstrom Q der Zulauf Qin eingesetzt wird.If the inlet Q in the flow Q opt at optimum speed n opt , n (Q opt , h), it is advantageous to adjust the speed just so that the water level h does not increase. This means that the delivery flow Q to be conveyed out of the
Um Ablagerungen in der an das Pumpenaggregat 2 angeschlossenen Druckrohrleitung 6 zu vermeiden, kann das Pumpenaggregat 2 bevorzugt in regelmäßigen Abständen, beispielsweise alle 3 Stunden, bei Nenndrehzahl n0 betrieben werden. Dies führt dazu, dass die Druckleitung 6 und der nachfolgende Ablauf 5 durchgespült werden. Alternativ kann eine derartige Spülung dann erfolgen, wenn die Neuberechnung des Anlagenkennfeldes erkennen lässt, dass sich der Rohrleitungswiderstand erhöht, insbesondere um einen bestimmten Betrag erhöht hat.In order to avoid deposits in the
Claims (18)
beschrieben wird, wobei HP,n die Förderhöhe, Q der Förderstrom, n die Drehzahl, n0 die Nenndrehzahl und HP,n0 die Pumpenkennlinie bei Nenndrehzahl sind.A method according to claim 4, characterized in that the pump map (H P (Q, n)) by the equation
where H P, n is the head, Q is the flow, n is the speed, n 0 is the rated speed and H P, n0 is the pump characteristic at rated speed.
beschrieben wird, wobei HP,n0 die Förderhöhe, Q der Förderstrom und a0, a1 und a2 Konstanten sind.A method according to claim 4 or 5, characterized in that the pump characteristic (H P, n0 (Q)) at rated speed (n 0 ) by the equation
where H P, n0 is the head, Q is the flow and a 0 , a 1 and a 2 are constants.
beschrieben wird, wobei Pn die Leistungsaufnahme, Q der Förderstrom, n die Drehzahl, n0 die Nenndrehzahl, ηges ein Gesamtwirkungsgrad und Pn0 die Leistungsaufnahmekennlinie bei Nenndrehzahl sind.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the power consumption map (P (Q, n)) by the equation
is described, where P n is the power consumption, Q the flow rate, the rotational speed n, n 0 is the nominal speed, η tot overall efficiency and P n0 are the power consumption characteristic at the rated speed.
beschrieben wird, wobei Pn0 die Leistungsaufnahme, Q der Förderstrom und b0, b1, b2 und b3 Konstanten sind.Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that the power consumption characteristic (P n0 (Q)) at rated speed (n 0 ) by the equation
where P n0 is the power consumption, Q is the flow rate and b 0 , b 1 , b 2 and b 3 are constants.
berücksichtigt, wobei fη ein sich in Abhängigkeit der Drehzahl (n) ändernder Faktor, n die Drehzahl, n0 die Nenndrehzahl und c eine nicht negative Konstante ist.A method according to claim 7 or 8, characterized in that the overall efficiency η ges a reduction in the efficiency of the pump unit (2) with decreasing speed (n) of the shape
is taken into account, where f η is a factor which changes as a function of the rotational speed (n), n is the rotational speed, n 0 is the nominal rotational speed and c is a non-negative constant.
und
gebildet ist, wobei
and
is formed, where
gebildet ist, wobei
is formed, where
gegeben ist, wobei
is given, where
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