Messungen und Analysen

Beispiel für eine Optimierung: Fallstudie

Dieses Optimierungsbeispiel umfasst die Redimensionierung einer Pumpe und ihres Motors (in diesem Fall bereits im Antrieb) sowie die Umstellung der Steuerung von einer Strategie mit konstantem Druck auf eine proportionale Steuerung.

Ausgangssituation: Die Pumpe wird von einem 90-kW-Motor angetrieben, der mit einem Antrieb mit variabler Drehzahl ausgestattet ist. Sie versorgt ein Kaltwassernetz von Verbrauchern mit konstante Druckregelung.

Messung von Durchflussmengen, Drücken und elektrische Verbräuche

Messung der Messwerte

Klassifizierte Ströme

Der Durchfluss schwankt zwischen 85 und 330 m3/h. Wir haben die Durchflüsse in 6 Klassen eingeteilt.

Man sieht:

Mit einer maximalen Durchflussmenge von 330 m3/h und einer überwiegenden Durchflussklasse zwischen 85 und 220 m3/h liegen die Durchflussmengen deutlich unter dem Auslegungswert von 430 m3/h. Die Durchflussmengen sind viel niedriger als der Auslegungswert von 430 m3/h.

-> schlechte Auslegung der Durchflussmenge

Übertragung der Betriebspunkte auf die aktuelle Pumpenkennlinie

Das kann man sehen:

die Pumpe ist in Bezug auf den Druck sehr schlecht dimensioniert  (bei einer Einstellung von 3 bar würde der Durchfluss Q bei 50 Hz > 600 m3/h betragen, weit vom Nennbetriebspunkt der Pumpe entfernt)

die Pumpe ist in Bezug auf den Durchfluss schlecht dimensioniert (die häufigste Arbeitspuncht liegt bei 1/3 des Qnom und das Qmax wird bei 2/3 des Qnom gemessen)

der alte Asynchronmotor hat wahrscheinlich eine geringere Effizienz (Arbeiten bei niedriger Geschwindigkeit)

 Der Wirkungsgrad der Pumpe ist trotz des CF bescheiden (die grün markierten 50-Hz-Fct-Punkte im gelben Bereich sind weit vom Optimum entfernt).

Optimierungen

Die Pumpe wird redimensionert mit angepasster Druck und Fördermenge (3 bar, 320m3/h) und IE4-Synchronmotor

Wir wählten eine Pumpe mit einem maximalen Wirkungsgrad in der Nähe des häufigsten Durchflussbereichs (125 bis 215 m3/h)

Die Bedingungen erlauben eine proportional regelung.

Neue Merkmale der Pumpe

Ergebnisse

Für jeden Durchflussbereich werden der Druck davor und danach und der Wirkungsgrad der verschiedenen Komponenten davor und danach berücksichtigt. In den folgenden Berechnungen ist der Wirkungsgrad der Wandler in den Wirkungsgrad des Motors einbezogen.

In Situationen mit variablen Durchflussmengen (variable Geschwindigkeit), müssen die Kennzahlen berückischtig werden.  In diesem Zusammenhang sollte das Merkblatt Nr. 8 für den Wirkungsgrad einer mit reduzierter Drehzahl laufenden Pumpe berücksichtigt werden.

Bei Asynchronmotoren sinkt der Wirkungsgrad relativ schnell mit der Frequenz. Unterhalb von 40 Hz muss der tatsächliche Wirkungsgrad bei dieser Drehzahlen verfügbar sein der vom Wirkungsgrad bei 50 Hz abweicht.

Wir haben hier für jede der 6 Klassen von Q (90, 135, 177, 217, 271, 323 m3/h) folgendes Berechnet:

Δp vor der Optimierung (30 mCE konstant) und nach (proportional gemäß der orangefarbenen Einstellkurve auf der Kennlinie der neue Pumpe)

Phydr = Δp * Q

ηPumpe vorher, Pumpenwirkungsgrad vor der Optimierung (grüne Punkte auf der aktuellen Pumpenkennlinie)

ηPumpe nachher, Pumpenwirkungsgrad nach der Optimierung (große orangefarbene Punkte auf der Effizienzkurve des neue Pumpenkennlinie)

ηmotor, Wirkungsgrad der Motoren vorher und nachher entsprechend der Charakteristik des Motors mit variabler Drehzahl, einschließlich des CF-Wirkungsgrads

Pel vorher und nachher (nicht erklärt in der Tabelle unten),Pel =Phydr / ηtot = Δp * Q / ηPumpe *ηMotor

Energie- oder Jahresverbrauch vorher und nachher: E = Nh *Pel

Das kann man sehen:

Die proportionale Einstellung erlaubt einen Druckabfall, mit Ausnahme des Betriebs bei maximalem Durchfluss.

Die hydraulische Leistung wird entsprechend reduziert.

Die neue Pumpe hat einen viel höheren Wirkungsgrad bei den häufigsten Durchflüsse.

Der neue Motor hat einen hervorragenden Wirkungsgrad.  Der Unterschied zum alten Motor vergrößert sich, wenn die Drehzahl reduziert wird.

Die schlechte Dimensionierung der aktuelle Pumpe führt zu niedrige Drehzahlen, die den Wirkungsgrad des Motors und Konverter verringern

Die Verbrauchsreduzierung beträgt etwa 50 % bei reduzierter Geschwindigkeit.

Insgesamt liegen die Einsparungen bei über 40 %.