Lebenszykluskosten
von Pumpen und
Pumpensystemen.
Einführung zu Lebenszykluskosten + Kostenarten
und Einflussfaktoren.
Einführung zu Lebenszykluskosten.
Bei der Frage: „Was kostet diese Pumpe?“ denken viele Menschen
Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein noch weitere Kosten-
spontan an den Einkaufspreis für das entsprechende Gerät. Tatsäch-
blöcke zu definieren. Bei Produktionsanlagen in der Chemie-,
lich ist dieser Preis aber nur ein kleiner Teil – fast vernachlässigbar
Pharma- oder Lebensmittelindustrie empfiehlt es sich folgende
gegenüber den gesamten Kosten, die das Pumpensystem über
Kosten als gesonderte Blöcke hinzuzufügen:
seine Lebensdauer verursachen wird. Die entscheidenden Weichen
dafür, welche Folgekosten später noch hinzukommen, werden
Ccip
cleaning-in-place costs
Reinigungskosten
aber bereits beim Einkauf gestellt. Dieser Umstand trifft zwar im
Cqu
quality costs
Qualitätskosten
Prinzip auf alle Maschinen zu - bei Pumpen sind aber die Folgekosten im Vergleich zum Einkaufspreis überdurchschnittlich hoch. Sie
Die einzelnen Kostenarten werden weiter unten erläutert.
sind als standardisierte Maschinen im Einstandspreis oft noch relativ günstig, verursachen aber aufgrund ihrer bisweilen besonders
Bei der Planung des Pumpensystems sollte zunächst überschlägig
langen Laufzeiten oder „Lebensdauern“ im Betrieb weitere Kosten,
berechnet werden, welche dieser Kostenblöcke von der Größe
die oftmals nicht berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass sie als
her relevant sind und auch durch mögliche Auslegungsalternati-
„Herz“ einer Anlage bei einem Defekt die gesamte Produktion zum
ven beeinflusst werden können. Wichtig ist, dass beim Vergleich
Stillstand bringen können. Der Zuverlässigkeit kommt also unter
verschiedener Systeme immer die gleichen Kostenarten betrachtet
Kostengesichtspunkten ein ganz besonderer Stellenwert zu.
und nach der gleichen Methodik und mit demselben Leistungsumfang berechnet werden. Die „Lebenszykluskosten“ ergeben sich
Nicht alle Kosten werden allein durch das Pumpenaggregat be-
dann als Summe der diskontierten Gegenwartswerte aller ausge-
stimmt. Vielmehr kommt es auf eine genaue Abstimmung und
wählten Kostenarten.
Optimierung aller Komponenten im System an. Die Einflüsse der
verschiedenen Einflussmöglichkeiten auf die einzelnen Kostenar-
LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Ccip + Cqu + Cd
ten sind so komplex, dass es schwierig sein wird, ohne eine systematische Herangehensweise das Optimum zu finden. Eine mögliche
Systematik bietet die in den USA entwickelte Methode der Lebenszykluskosten-Analyse. Das Europäische Sektor Komitee Europump
Kostenelemente der Lebenszykluskosten-Analyse
und der amerikanische Verband Hydraulic Institute haben diesen
Ansatz für Pumpensysteme angepasst und dabei in ihrem Leitfa-
Ccip
Cqu
Cd
Cin
Co
Cs
Cenv
den: Pumpen Lebens-Zyklus zu diesem Thema folgende Kostenblöcke ausgewählt:
Cic
investment costs
Cin
installation costs
Installationskosten
Ce
energy costs
Energiekosten
Co
operation costs
Bedienungskosten
Cm
maintenance costs
Instandhaltungskosten
Cs
down time costs
Produktionsausfallkosten
Cenv
environmental costs
Umweltschutzkosten
Cd
disposal costs
Außerbetriebnahmekosten
EnergieEffizienz lohnt sich
Investitionskosten
Cic
Cm
Ce
2
Kostenarten und Einflussfaktoren.
Investitionskosten Cic
Installationskosten Cin
Zu den Investitions- bzw. Anschaffungskosten werden in der Regel
Zu den Installationskosten zählen die Kosten für Montage und
nur die Einkaufskosten gezählt, die vor der Inbetriebnahme des
Inbetriebnahme der Gesamtanlage bzw. der auszutauschenden
Systems anfallen. Diese umfassen die Einkaufskosten für die einzel-
Komponenten in einer bestehenden Anlage. Wenn für die Installa-
nen Komponenten und möglicherweise eine Erstausstattung an
tion Fremdleistungen hinzugezogen werden, ist besonders darauf
Ersatzteilen. Dazu kommen noch die Planungskosten, die Kosten
zu achten, dass für die verschiedenen Alternativen die Vergleichs-
des Einkaufsprozesses und eventuell notwendige Qualifizierungs-
basis übereinstimmt. Der Umfang der externen und internen Leis-
maßnahmen für das Personal. Gegebenenfalls müssen noch die An-
tungen sollte bei den zu vergleichenden Alternativen gleich an-
schaffungskosten für Hilfsdienste sowie Überwachungs- und Pro-
gesetzt werden, es sei denn technische Details machen bei einer
zessleittechnik hinzugerechnet werden. Die Grenzen sollten hier
Anlage eine Fremdinstallation notwendig, während das bei der
pragmatisch so gezogen werden, dass nur die Faktoren hinzuge-
Auslegungsalternative nicht der Fall ist. Wenn in einem Fall eine
zählt werden, die bei den zu vergleichenden Alternativen tatsäch-
Fremdfirma installiert und im anderen Fall nicht, muss ein sinnvol-
lich variieren. Wichtig ist aber, dass die Systematik in allen Fällen
ler Stundensatz für die Eigenleistungen gewählt werden oder abge-
gleich bleibt. Eine detailliertere Aufschlüsselung der Anschaffungs-
schätzt werden, was eine Fremdinstallation entsprechend kosten
kosten findet sich im VDMA- Einheitsblatt 34160 „Prognosemodell
würde, damit die Lebenszykluskostenanalyse nicht verfälscht wird.
für die Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen“.
Eine detaillierte Aufschlüsselung der Installations- und Inbetriebnahmekosten für Maschinen und Anlagen im Allgemeinen findet
Der gewählte Rohrleitungsdurchmesser hat einen entscheidenden
sich im VDMA-Einheitsblatt 34160 „Prognosemodell für die Lebens-
Einfluss auf die Investitionskosten. Die Kosten für Rohrmaterial
zykluskosten von Maschinen und Anlagen“.
und Armaturen steigen mit dem Durchmesser. Auf der anderen Seite sinkt mit zunehmendem Durchmesser der Leistungsbedarf der
Pumpe, so dass diese preiswerter wird, genauso wie der dazugehörige Motor und die Leistungselektronik.
Ein anderer wesentlicher Punkt ist die Qualität der ausgewählten
Werkstoffe. Geringe Rauhigkeiten, korrosionsbeständiges und verschleißarmes Material sowie hochwertige Komponenten, die bei
den anderen Kostenblöcken zu deutlichen Reduzierungen führen,
müssen bei den Investitionskosten durch einen in der Regel höheren Einkaufspreis berücksichtigt werden.
Bezüglich der Sicherheit und Zuverlässigkeit gibt es verschiedene
Planungsalternativen, wie redundante Systeme oder Überwachungsvorrichtungen und vorbeugende Instandhaltung, deren
Investitionskosten in verschiedenen Lebenszykluskosten-Analysen
verglichen werden müssen. Weitere Informationen hierzu finden
sich in den Infoblättern „Sicherheit und Zuverlässigkeit“, „Wartung und Instandhaltung“ sowie „Überwachung und Diagnose“
von Pumpen und Pumpensystemen.
Mit“Blockpumpen“ auf Fundamente verzichten und
Installationszeiten verkürzen.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Energiekosten Ce
Bedienungskosten Co
Die Energiekosten sind oftmals der größte Ausgabenposten, der
Zu den Bedienungskosten werden nach dem Leitfaden von
durch ein Pumpensystem verursacht wird. Die Energiekosten sind
Hydraulic Institute und Europump die Personalkosten für den nor-
das Produkt aus Energieverbrauch und dem Energiepreis. In der
malen, ungestörten Betrieb gezählt. Sie hängen stark davon ab,
Regel ist dies der Strompreis. Der Energieverbrauch hängt von der
welcher Überwachungsaufwand für die Pumpe notwendig ist und
Förderaufgabe und dem Wirkungsgrad des Gesamtsystems ab.
ob die Überwachung über ein Zentralsystem oder mobil vor Ort
Näheres dazu findet sich im Infoblatt „Systemkomponenten und
erfolgt. Einige Hinweise dazu finden sich im Dokument „Überwa-
Energiebedarf von Pumpen und Pumpensystemen“. Insbesondere
chung und Diagnose“. Wenn die Inspektionen Teil einer vorbeu-
bei Heizungspumpen stellen die Energiekosten alle anderen
genden Instandhaltung sind, kann es unter Umständen sinnvoll
Kostenarten in den Hintergrund und sollten vorrangiges Auswahl-
sein, die Bedienungskosten mit den Instandhaltungskosten
kriterium sein.
zusammen zufassen.
Falls die Leistungsaufnahme des Pumpenmotors bekannt ist und
Abweichend vom Europump- Leitfaden könnte man den Bedie-
die Pumpe konstant in einem Betriebspunkt arbeitet, lässt sich
nungskosten noch einen Kostenanteil Prozessautomatisierung zu-
der Jahresverbrauch einfach aus der Anzahl der Jahresbetriebsstun-
schlagen.
den errechnen. Schwieriger wird es, wenn die Förderleistung nicht
konstant ist. Da auch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems vom
Förderstrom abhängt, muss im Prinzip für jeden Betriebspunkt
die Leistungsaufnahme berechnet und entsprechend der Zeitanteile, die die Pumpe in diesen Betriebspunkten fährt, über das Jahr
aufsummiert werden.
Da die Energiepreise einer starken Inflation unterworfen sind,
muss diese im Prinzip für den Lebenszyklus abgeschätzt werden.
Gleichzeitig werden aber Zahlungen, die in der Zukunft zu leisten
sind, durch einen Diskontierungsfaktor im Gegenwartswert
weniger stark gewichtet. Vereinfachend können Energiepreisanstieg und Diskontsatz gegeneinander zu null verrechnet werden.
Dann ergeben sich die Lebenszyklus- Energiekosten als Produkt
aus Lebensdauer und Jahresenergiekosten.
Alte Pumpen verursachen unnötige Energiekosten.
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Instandhaltungskosten Cm
Weitere Informationen zum Thema Zuverlässigkeit finden sich
Zu den Instandhaltungskosten gehören die normalen Wartungs-
im Infoblatt „Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von
arbeiten, wie das Reinigen und Schmieren, die geplante vorbeu-
Pumpen und Pumpensystemen“. Detailliertere Aufschlüsselungen
gende Instandhaltung und die korrektive Instandsetzung bei
der Kostenelemente finden sich in der VDI-Richtlinie 2885 „Einheit-
Pumpendefekten. Näheres dazu findet sich im Infoblatt „Wartung
liche Daten für die Instandhaltungsplanung und Ermittlung von
und Instandhaltung von Pumpen und Pumpensystemen“.
Instandhaltungskosten“ und im VDMA-Einheitsblatt 34160 „Prog-
Die Kosten für Wartung und eine intervallabhängige vorbeugen-
nosemodell für die Lebenszykluskosten von Maschinen und
de Instandhaltung sind das Produkt von Instandhaltungsfrequenz
Anlagen“.
und der Summe aus Material- und Personalaufwand pro Instandhaltung. Wenn es unterschiedliche Wartungsprozeduren wie Rou-
Produktionsausfallkosten Cs
tinewartung und Generalrevision gibt, empfiehlt es sich, diese
Die Kosten von ungeplanten Produktionsausfällen aufgrund von
Kosten getrennt zu berechnen.
Pumpendefekten können leicht zum größten Posten in den Lebens-
Die Kosten für eine zustandsabhängige oder für eine korrektive
Verfügbarkeit der Pumpen von vielen Betreibern allerhöchste Prio-
Instandhaltung ergeben sich analog aus dem Produkt von Scha-
rität eingeräumt. Informationen zum Thema Verfügbarkeit finden
zykluskosten avancieren. Aus diesem Grund wird einer hohen
denshäufigkeit und der Summe aus Material- und Personalauf-
sich im Infoblatt „Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
wand. Bei der zustandsabhängigen Instandhaltung sind gegebe-
von Pumpen und Pumpensystemen“. Definitionen der relevanten
nenfalls die Überwachungs- respektive Inspektionskosten hinzu-
Größen finden sich in der VDI-Richtlinie 3423 „Verfügbarkeit von
zurechen, sofern diese nicht in anderen Kostenblöcken, wie z. B.
Maschinen und Anlagen“.
den Bedienungskosten erfasst sind. Bei der korrektiven Instandsetzung ist zu überlegen, ob bei den Personalkosten zu einem gewis-
Die Ausfallkosten von ungeplanten Ausfällen ergeben sich aus dem
sen Anteil Sonntags- und Nachtarbeitszuschläge hinzugerechnet
Produkt von Schadenshäufigkeit, Reparaturdauer und dem Pro-
werden müssen. Die Reparaturdauer wird normalerweise nur in
duktionswert pro Zeiteinheit. In manchen Fällen müssen Vertrags-
Bezug auf die Personalkosten berücksichtigt. Der Produktionsaus-
strafen für Lieferausfälle hinzugerechnet werden. Bei geplanten
fall kommt nur dann hinzu, wenn dieser nicht in einem eigenen
Instandhaltungen ist der Produktionsausfall nur anteilig zu berech-
Kostenblock veranschlagt wird.
nen, wenn während dieser Zeit mehrere Maschinen gewartet werden. Bei Instandhaltungen in ohnehin produktionsfreien Zeiten
Die Schadenshäufigkeit muss abgeschätzt werden. Sie ist in man-
sind selbstverständlich keine Ausfallkosten zu berechnen.
chen Fällen als statistischer Wert MTBF (Mean time between
failures = Durchschnittlicher Ausfallabstand) für die einzelnen
Umweltkosten Cenv
Komponenten vom Hersteller erhältlich. Allerdings beruhen diese
Zu den Umweltkosten zählen die Entsorgungskosten von Hilfs-
Werte auf Testbedingungen. Die tatsächliche Schadenshäufigkeit
stoffen, auszutauschenden Bauteilen und gegebenenfalls von nicht
hängt sehr stark von den realen Bedingungen ab. Da diese nicht
verkaufbarem Produkt bei Fehlproduktionen aufgrund von Bauteil-
mit Sicherheit vorausgesagt werden kann, ist es sinnvoll, Szenarien
versagen. Bei gefährlichen Fördermedien müssen zusätzlich
für den günstigsten und den schlechtesten Fall zu berechnen.
die Kosten eines größeren Unfalls mit Umweltauswirkungen multipliziert mit der Eintretenswahrscheinlichkeit während der Lebens-
Eine höhere Voraussagesicherheit hat man, wenn aus dem Anla-
dauer hinzugezählt werden. In vielen Fällen reduzieren Maßnah-
genbetrieb bereits Erfahrungen mit der Schadenshäufigkeit vor-
men, die die Zuverlässigkeit und die Haltbarkeit des Pumpensys-
liegen, die als Referenz für eine Optimierung der Instandhaltungs-
tems erhöhen, auch die Umweltkosten.
strategie, Verbesserungsmaßnahmen oder die Installation eines
Überwachungssystems genutzt werden sollen.
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Reinigungskosten Ccip
brechungen sich anders auf die Produktionskosten auswirken als
Viele Produktionsanlagen in der Chemie-, Pharma- und Lebensmit-
ungeplante Produktionsausfälle und zudem die Energiekosten
telindustrie müssen regelmäßig gereinigt werden. Man spricht von
teilweise an anderer Stelle entstehen als die zum Transport des För-
„Cleaning In Place“ (CIP), wenn die Reinigung vor Ort, automatisch
derguts, ist es sinnvoll, diese Kosten in einem gesonderten Block
und ohne Demontage erfolgt. Dafür werden die Rohrleitungen,
zusammenzufassen. Auf diese Art und Weise spiegelt sich auch bes-
Behälter und Einbauten teilweise mehrmals täglich für eine be-
ser wider, welche Auswirkungen eine Planungsalternative auf die
stimmt Zeit von einer Reinigungsflüssigkeit durchspült. Während
CIP-Fähigkeit der Anlage hat.
dieser Zeit kann keine Produktion stattfinden. Zusätzlich entstehen
Kosten für die Aufbereitung oder Entsorgung des Reinigungsmedi-
Die CIP-Kosten berechnen sich als pro Reinigung als Produkt
ums sowie Energiekosten, da die Reinigung bei hohen Temperatu-
aus CIP-Dauer und Energieaufwand plus den Verbrauch an Reini-
ren stattfindet. Außerdem geht bei jeder Reinigung ein Teil des Pro-
gungsflüssigkeit und den Verlust an Produkt. Zusätzlich sind gege-
duktes verloren, der sich noch in der Rohrleitung befindet.
benenfalls einmalig Kosten für die Neuerrichtung oder den Umbau
der CIP-Anlage hinzuzurechnen.
Der Aufwand für die Reinigung ist stark vom Design der Anlage
und den einzelnen Bauteilen abhängig. Da diese geplanten Unter„Cleaning in Place“ (CIP-Anlage)
CIP Rücklauf
Dampf
CIP Vorlauf
Abwasser
Ansaugleitung
Spülwasser
Spülwasser
Reinigungs-
Vorlage
Sammler
mittel
Sieb
RohrbündelKondensat-
Wärmetauscher
Rücklauf
Entleerungsventil
optional
Chemikalieneinspeisung
Qualitätskosten Cqu
Als Qualitätskosten können die Kosten für diese zusätzlich notwen-
Jede Pumpe und jedes Rohrleitungssystem hat in irgendeiner Form
digen Behandlungsschritte und die Wertminderung des Produktes
Auswirkungen auf das Fördergut. So steigt z. B. durch den Leistungs-
angesetzt werden. Diese sind im Vergleich zu dem theoretischen
eintrag die Temperatur des Förderguts. Dadurch kann sich die
Referenzfall zu bewerten, dass die Anlage keinen ungewollten
Anzahl der in der Anlage befindlichen Mikroorganismen erhöhen.
Einfluss auf das Produkt hätte.
In Produktionsanlagen können der Leistungseintrag und die Mikroorganismen die Qualität des Produktes beeinflussen, sei es durch
Außerbetriebnahmekosten Cd
Verkürzung der Haltbarkeit oder die Änderung sonstiger Produkt-
Zu den Außerbetriebnahmekosten zählen die Kosten für die
eigenschaften. Zusätzlich können durch Leckagen von Schmiermit-
Demontage der Anlage, Entsorgung der ausgedienten Teile und
tel und Abrieb von Dichtungen und festen Bauteilen Fremdstoffe
gegebenenfalls die Wiederherstellung des ursprünglichen Zu-
in das Produkt gelangen. Dadurch kann für das Produkt mögli-
stands. Wie bei allen anderen Kostenarten ist bei den Außerbetrieb-
cherweise nur noch ein geringerer Verkaufspreis erzielt werden
nahmekosten zunächst die Inflation zu berücksichtigen und der
als wenn diese Beeinflussung nicht stattgefunden hätte oder es
Betrag dann mit einem Diskontierungsfaktor auf den Gegenwarts-
werden nachgeschaltete Behandlungsstufen notwendig. Bei vielen
wert umzurechnen.
Pumpen in der Lebensmittelindustrie ist die Produktschonung
neben der Zuverlässigkeit vorrangiges Auswahlkriterium.
EnergieEffizienz lohnt sich
6
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de
Systemkomponenten und
Energiebedarf von Pumpen
und Pumpensystemen.
Einführung zu Systemkomponenten und Energiebedarf + Wirkungsgrade + Energiefluss durch die
Systemkomponenten + Wechselwirkungen.
Einführung zu Systemkomponenten
und Energiebedarf.
Ein Pumpensystem besteht in der Regel aus Behältern, wie Tanks
gewählte Heizungsart eine Rolle. Oft gibt es noch Einflussmöglich-
oder Becken, Rohrleitungen, Armaturen, Messgeräten, Einbauten
keiten durch die Wahl des Aufstellungsortes von Tanks und Becken
wie Wärmetauschern, Filtern oder verschiedenste verfahrenstech-
oder die Einstellung von Prozessparametern wie Heizungsvorlauf-
nische Apparate und zu guter Letzt der Pumpe mit ihrem Antrieb
temperaturen, etc.
als Herz der Anlage. Meistens muss das Fördermedium von einem
Ort zum anderen transportiert, in einem Kreislauf umgewälzt oder
Für eine gegebene Förderaufgabe muss nicht nur die theoretische,
auf einen bestimmten Druck gebracht werden. Die Behälter dienen
aus Förderstrom und statischer Höhe an den Systemgrenzen zu
dabei als vorübergehende Speicher für das Fördergut, Rohrleitun-
errechnende Leistung aufgebracht werden - es entstehen darüber
gen dienen dem Transport, Armaturen und Messgeräte der Prozess-
hinaus an vielen Stellen im Prozess Energieverluste, die den tatsäch-
kontrolle, die Einbauten und Apparate der Behandlung des Förder-
lichen Energiebedarf erhöhen. Die schlechte Nachricht dabei ist,
guts und die Pumpe muss die notwendige Energie in das System
dass diese Verluste meistens sogar noch viel größer sind, als die
einbringen, damit sich das Fördergut von einem Ort zum anderen
eigentlich zu verrichtende Arbeit. Die gute Nachricht ist, dass sich
bewegt.
diese Verluste durch eine gute Anlagenplanung positiv beeinflussen und reduzieren lassen.
Der Energiebedarf von Pumpensystemen hängt zunächst von der
zu bewältigenden Förderaufgabe ab. Dabei spielt je nach Anwendungsfall das gewählte Produktionsverfahren, das Bewässerungsoder Abwasserbehandlungssystem oder in Gebäuden z. B. die
Wirkungsgrade.
Der tatsächliche Energieverbrauch eines Pumpensystems setzt
Netzfrequenz auf niedrigere Frequenzen, vom elektrischen
sich zusammen aus der nominalen Leistung der Pumpe und der
Strom in eine Drehbewegung, von der Drehbewegung in hydrau-
Mehrleistung die zur Deckung von Verlusten in Rohrleitung,
lische Energie. In der Rohrleitung wird das Fördergut mal be-
Pumpe, Getriebe, Motor und eventuell dem Frequenzwandler not-
schleunigt, mal abgebremst, oft umgelenkt und in Ventilen von
wendig ist. Bildhaft kann man sich das so vorstellen, als müsse die
einem höheren Druck auf einen niedrigeren gedrosselt. All diese
Energie vom Netz kommend erst verschiedene Stationen durch-
Umwandlungen sind mit Verlusten verbunden. Hinzu kommt
laufen, bei denen jeweils ein Teil der Energie verloren geht, bevor
Reibung der Welle in Lagern und Dichtungen und des Förderguts
sie die eigentlich sinnvolle Arbeit verrichten kann. Tatsächlich sind
an der Rohrleitungswand.
diese Stationen meistens Umwandlungen der Energie: von der
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Energiefluss durch die Systemkomponenten.
In diese Richtung fließt die Energie
Verluste
Förder-
Rohr-
aufgabe
leitung
Pumpe
Kraftüber-
Motor
tragung
Leistungs-
Stromnetz
elektronik
Wechselwirkungen
kWh
Energiebedarf
Energiekosten
€
In diese Richtung fließen die Kosten
Die Verluste in all diesen Stationen kann man durch einen Wir-
Wenn sich zwischen Motor und Stromnetz noch ein Frequenz-
kungsgrad ausdrücken. Der Wirkungsgrad ist der Quotient von
wandler befindet, geht an dieser Stelle auch wieder Energie verlo-
aus der Station heraus kommenden zur in diese hinein fließenden
ren. Die vom Stromnetz abverlangte und damit beim Energiever-
Energie. Da nur der herauskommende Teil (ohne die Verluste) für
sorger bezahlte Leistung entspricht dann der vom Motor verlang-
den Prozess weiter nutzbar ist, spricht man auch vom Verhältnis
ten elektrischen Leistung geteilt durch den Wirkungsgrad des
von Nutzen zu Aufwand. Wegen der Verluste ist der Wirkungsgrad
Frequenzwandlers. So kann man die tatsächlich benötigte Energie
immer kleiner als eins. Der Wirkungsgrad des Motors ist z. B. die
dadurch berechnen, dass man von der eigentlichen Förderaufgabe
abgegebene Leistung geteilt durch die aufgenommene Leistung.
ausgehend die Energiemenge an jeder Station mit dem Kehrwert
Andersherum ausgedrückt ist die vom Motor benötigte elektrische
des Wirkungsgrades multipliziert. Da der Kehrwert vom Wirkungs-
Leistung gleich der an der Motorwelle benötigten Leistung geteilt
grad immer größer als eins ist wird dadurch an jeder Station der
durch den Wirkungsgrad des Motors.
Energiebedarf höher.
Pelektr. = Pwelle * 1/ Wirkungsgrad
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Förder-
1/η
1/η
1/η
1/η
1/η
aufgabe
Rohr
Pumpe
Kraftüber-
Motor
Elektronik
*
*
*
tragung
*
*
=
Strombedarf
Der Energiebedarf ergibt sich aus der Förderaufgabe und den Wirkungsgraden der Systemkomponenten.
Aus einer mathematischen Betrachtung lassen sich nun einige in-
Aussage lässt sich darüber treffen, an welcher Stelle ein Prozent
teressante Schlüsse ziehen: Eine Pumpe, deren hydraulischer Wir-
weniger Verlust die größere Auswirkung hat. Dies hängt sowohl
kungsgrad um ein Fünftel kleiner ist als der einer Vergleichspumpe
von der Position in der Kette als auch vom Absolutwert der Verluste
hat identische Auswirkungen auf die Energiekosten wie ein Aggre-
ab2 . An dieser Stelle wird deutlich, dass bei der Auswahl einer Ver-
gat dessen Motorwirkungsgrad ein Fünftel kleiner ist. Ein Pro-
besserungsmaßnahme deren Auswirkung auf den Energiever-
zentpunkt Wirkungsgradverbesserung bei einer Komponente mit
brauch des gesamten Systems berechnet oder abgeschätzt werden
schlechtem Wirkungsgrad bringt mehr ,als dort wo er ohnehin
sollte. Für die Bewertung der Einsparung muss diese ohnehin zu-
gut ist.
sammen mit den Auswirkungen auf die anderen Kostenarten, wie
z. B. Investitions- und Installationskosten betrachtet werden.
Anders stellt es sich bei den Absolutwerten für die Verluste dar:
Ein Kilowatt weniger Verlust in der Rohrleitung bringt mehr Einsparung als ein Kilowatt weniger Verlust im Motor. Keine einfache
Wechselwirkungen.
Die Zusammenhänge werden dadurch noch etwas komplizierter,
über eine weitere Wechselwirkung den der Kreiselpumpe. Durch
dass die verschiedenen Bauteile gegenseitig ihre Wirkungsgrade
den Einsatz des Frequenzwandlers wird das Regelventil überflüssig.
beeinflussen können. Dies wird im Folgenden am Beispiel eines
Frequenzumwandlers veranschaulicht, wobei diese verallgemei-
Unter dem Strich kommt es zu einer Effizienzsteigerung. Durch
nernden Aussagen wiederum keine systematische Lebenszyklus-
den Frequenzwandler verschlechtert sich zwar der Wirkungsgrad
kosten- Analyse ersetzen können.
des Antriebs, der von Pumpe und Rohrleitung verbessert sich aber
so stark, dass insgesamt eine Einsparung bis zu dreißig Prozent der
Ein Frequenzwandler hat die Aufgabe, die Drehzahl des Motors zu
Energiekosten möglich ist. Dies gilt aber nur, wenn der Frequenz-
variieren und dadurch die hydraulische Leistung der Pumpe dem
wandler tatsächlich zum Regeln eingesetzt wird und nicht aus-
tatsächlichen Bedarf anzupassen. Da auch ein Frequenzwandler
schließlich, um eine falsch dimensionierte Pumpe zu korrigieren.
einen Wirkungsgrad kleiner als eins hat, verschlechtert er zunächst
Näheres dazu findet sich im Dokument „Regelung“.
den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Hinzu kommt, dass das Ausgangssignal des Frequenzwandlers keine glatte Sinuskurve wie
Ein weiteres Beispiel für die Notwendigkeit, das System als Ganzes
beim Stromnetz ist, sondern etwas abgehackt. Dadurch verschlech-
zu betrachten, ist der Austausch eines ineffizienten Motors durch
tert der Frequenzwandler den Wirkungsgrad des Motors.
einen Motor mit höherem Wirkungsgrad. Während dies fast immer
Wenn man verstehen will, warum der Einsatz eines Frequenzwand-
in wenigen Fällen sogar zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs
lers in manchen Pumpensystemen dennoch mit die höchstmög-
führen. Näheres dazu findet sich im Dokument „Pumpenantriebe“.
eine gute Möglichkeit zum Senken der Energiekosten ist, kann es
lichen Energieeinsparungen erzielen kann, muss man wiederum
das Gesamtsystem betrachten. In vielen Pumpensystemen wird der
Alle Stationen in der Wirkungsgradkette haben die Eigenschaft
Durchfluss dadurch geregelt, dass bei geringerem Bedarf ein Regel-
gemeinsam, dass sie direkt oder indirekt von der Förderaufgabe
ventil angedrosselt wird. Das gedrosselte (also teilweise geschlosse-
abhängen. Die Wirkungsgrade der Einzelkomponenten und damit
ne) Regelventil verschlechtert aber nicht nur den „Wirkungsgrad“3
auch des Gesamtsystems sind also eine Funktion von Förderstrom
des Rohrleitungssystems ganz erheblich, sondern meistens auch
und Förderhöhe.
1
In beiden Fällen steigen die Energiekosten um 25 %.
2
Generell wirkt sich ein Prozent weniger Verlust auf der Prozessseite stärker aus als auf der Seite des Stromnetzes. Diese Tendenz wird aber überlagert
dadurch, dass sich ein Prozent weniger Verlust dort stärker auswirkt, wo der Wirkungsgrad geringer ist.
3
Üblicherweise spricht man bei Rohrleitungssystemen nicht von Wirkungsgraden. Für unsere Zwecke ist diese Betrachtungsweise aber hilfreich.
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
Folgekosten des Energieeintrags
Die Reibungsverluste in Pumpe und Rohrleitung führen zu einer
Erwärmung des Förderguts. Diese Erwärmung kann einen zusätzli-
Cin
Co
Cs
chen Einfluss auf die Gesamtenergiekosten haben. Die Folgekosten
sind abhängig davon, ob diese Erwärmung den Prozess beeinflusst
und ob sie dabei von Vorteil ist oder nicht. Bei einer Heizungsan-
Cic
lage reduziert sich dadurch die aufzubringende Heizenergie.
Die Folgekosten sind also negativ und reduzieren in Form einer
Cm
Ce
„Gutschrift“ die Gesamtenergiekosten. Hierbei ist aber zu beachten, dass der Heizenergiepreis in der Regel um etwa ein Drittel
geringer ist als der Strompreis. Entsprechend kann auch nur ein
Anteil entsprechend der tatsächlich eingesparten Heizkosten gut-
Energiekosten
geschrieben werden.
Die Energiekosten Ce sind das Produkt aus Energieverbrauch und
Energiepreis. Hinzu kommt ein fixer Anteil abhängig von der Maxi-
Wenn das Fördermedium wieder auf seine Ausgangstemperatur
malleistung. Dieser Anteil muss anteilig aus den Netzanschlusskos-
zurückgekühlt werden muss, z. B. in der Lebensmittelindustrie,
ten berechnet werden und ist vor allem dann relevant, wenn das
wird durch die „Energieverluste“ in Pumpe und Rohrleitung der
Pumpensystem die benötigte Spitzenleistung des Unternehmens
Kältebedarf erhöht. Die Kosten der zusätzlichen Kälteerzeugung
erhöht. Sollte der Energiepreis von der Tages- oder Jahreszeit
sind zu den Energiekosten hinzuzurechnen. Da der „Kältepreis“
abhängen, müssen die Kosten für die verschiedenen Tarifblöcke
manchmal sogar höher ist als der Strompreis, können diese Folge-
einzeln berechnet und addiert werden.
kosten die eigentlichen Kosten des zusätzlichen Pumpenergiebedarfs sogar noch überschreiten. Darüber hinaus wirkt sich der Ener-
Falls das Pumpensystem überwiegend in einem konstanten
gieeintrag auf die Qualitätskosten Cqu und über die zusätzlich be-
Betriebspunkt arbeitet, lässt sich der Energieverbrauch vereinfa-
nötigte Wärmetauscherfläche auch auf die Investitionskosten Cic
chend als Produkt von Betriebsstundenzahl, hydraulischer Leistung
und gegebenenfalls auf die Reinigungskosten Ccip aus.
und dem Kehrwert des Anlagenwirkungsgrades berechnen. Etwas
aufwendiger wird es, wenn die Förderaufgabe nicht konstant
bleibt, z. B. bei variablem Förderstrom oder einem Gegendruck,
Mögliche Verteilung der Lastzustände über das Jahr und
der sich mit dem Füllstand des zu befüllenden Tanks ändert. In die-
Annäherung durch einen angenommen, vereinfachten Verlauf
sem Fall muss das Produkt aus Wirkungsgrad, Druck und Volumen-
Volumenstrom ist. Einfacher ist es, wenn es gelingt einige charakteristische Betriebszustände wie Mindestmenge, Teil-, Voll- und Überlast zu identifizieren und dafür den Wirkungsgrad zu berechnen.
Die Leistung kann dann als streckenweise konstant betrachtet und
für diese Betriebspunkte berechnet werden. Zur Berechnung des
Jahresverbrauchs müssen die ermittelten Leistungswerte dann mit
Hydraulische Leistung
strom über die Betriebszeit integriert werden, wobei der Wirkungsgrad wie oben beschrieben selbst eine Funktion von Druck und
tatsächlicher Verlauf
vereinfachter Verlauf
Betriebsstunden
der jeweils zugeordneten Stundenzahl multipliziert und die Produkte aufsummiert werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
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interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
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Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
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Kostenoptimierte
Planung und Bau neuer
Pumpensysteme.
Einführung zur kostenoptimierten Planung und Bau neuer
Pumpensysteme + Möglichkeiten zur Kostensenkung.
Einführung zur kostenoptimierten Planung und
Bau neuer Pumpensysteme.
Zu keinem Zeitpunkt im Anlagenleben sind die Gestaltungsmög-
gen, z. B. Einkauf, Vertrieb, Anlagenplanung und –betrieb und
lichkeiten so groß, wie in der Planungsphase einer neuen Anlage.
möglicherweise sogar die Geschäftsführung einbezogen werden.
Wer an dieser Stelle den Aufwand nicht scheut, verschiedene Alter-
Sollte es hier stark divergierende Vorstellungen geben, ist es rat-
nativen anhand ihrer Lebenszykluskosten zu vergleichen, kann sich
sam, die Kostenberechnung so aufzubauen, dass später mit unter-
in den Folgejahren nicht nur erhebliche Kosten sondern auch eine
schiedlichen Werten für Lebensdauer und Diskontsatz eine Sensiti-
Menge Ärger ersparen. Wichtig ist, dass allen Beteiligten in der
vitätsanalyse durchgeführt werden kann.
Planung kommuniziert wird, dass das Hauptziel nicht ein minimaler Anschaffungspreis sondern eine energiesparende, zuverlässige
Als Anhaltswert sollte für den Diskontsatz der Zinssatz für Fremd-
und instandhaltungsgerechte Konstruktion der Anlage ist. Auf die-
kapital angesetzt werden. Es ist nicht ratsam hier die Gewinner-
ser Basis sollte zunächst eine qualitativ hochwertige Anlage nach
wartung zu verwenden, die für die Entscheidung verwendet wird,
dem Stand der Technik geplant werden. Danach schließt sich die
ob ein wirtschaftliches Engagement überhaupt eingegangen
Bewertung von Planungsalternativen an. Dieser Vorgang sollte in
werden soll. Da die grundsätzliche Entscheidung zu diesem Zeit-
den verschiedenen Planungsphasen mit zunehmender Detailtiefe
punkt bereits gefallen ist, tritt das damit verbundene unternehme-
wiederholt werden.
rische Risiko auf jeden Fall auf. Als Lebensdauer kann der Zeitraum
Als Grundlage für die folgenden Ausführungen dient die Formel
voraussichtlich produziert wird, ohne dass sich das Verfahren
angesetzt werden, in dem auf der Anlage mit kleineren Umbauten
der Lebenszykluskosten, wie sie im Infoblatt „Lebenszykluskosten
grundsätzlich ändert. Für die Hauptkomponenten, wie z. B. die
von Pumpen und Pumpensystemen“ beschrieben ist. Zunächst
Pumpe, sollte unabhängig davon die technische Lebenserwartung
muss entschieden werden, welche Kostenblöcke der Lebenszyk-
eingesetzt werden.
luskosten-Formel für die Anlage relevant sind. Dabei sollten nur
solche Kostenarten ignoriert werden, die entweder verschwindend
Mit den gewählten Parametern werden nun die Lebenszyklus-
klein oder nicht beeinflussbar sind. Auch ein prozentual relativ klei-
kosten der geplanten Anlage berechnet. Für die leichter quantifi-
ner Kostenblock kann relevant sein, wenn er sich leicht beeinflus-
zierbaren Größen wie Investitions- und Energiekosten sollten
sen lässt. In manchen Branchen können in schlechten Jahren schon
möglichst genaue, absolute Werte berechnet werden. Einige an-
fünf Prozent mehr Kosten den gesamten Gewinn zunichte machen.
dere Kostenarten, wie z. B. die Produktionsausfallkosten, können
Möglicherweise können einige Kostenarten anders strukturiert
möglicherweise nur abgeschätzt werden. Hier ist es vor allem
oder zusammengefasst werden.
wichtig, dass die Randbedingungen und Einflussgrößen richtig
LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Ccip + Cqu + Cd
überlegt werden, an welchen Stellen durch Planungsalternativen
beschrieben werden. Auf Basis dieser Referenzplanung kann nun
Kosten gesenkt werden können. Hierbei müssen alle Kostenarten
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
betrachtet werden, also nicht nur jene, auf welche die Maßnahme
ursprünglich abzielt, sondern auch die Neben- und Folgeeffekte.
Die Änderungen sollten nun möglichst genau quantifiziert werden.
Cin
Co
Cs
Wenn z. B. die Produktionsausfallkosten nicht genau bestimmt
werden konnten, weil die Gesamtinstandhaltungsdauer über den
Lebenszyklus nicht sicher abzuschätzen war, kann dennoch die
Cic
Differenz exakt berechnet werden, wenn sich durch ein alternatives Bauteil die Reparaturdauer in bestimmten Instandsetzungs-
Cm
Ce
fällen um eine halbe Stunde reduziert. Viel wichtiger als der Absolutwert der Lebenszykluskosten ist nämlich die Frage, durch
welche Maßnahmen sich der Gesamtwert der Kosten unter dem
Strich senken lässt. Der Rechenaufwand sollte also der geplanten
Ein weiterer vorbereitender Schritt ist die Entscheidung, welche
Maßnahme und dem Planungsstadium angepasst sein, wobei eher
Lebensdauer zugrunde gelegt wird und mit welchem Prozentsatz
die Detailtiefe für eine einzelne Kostenart reduziert werden sollte
diskontiert wird. In diese Entscheidung sollten mehrere Abteilun-
als die systemumfassende Betrachtungsweise einzuschränken.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Möglichkeiten zur Kostensenkung.
Eine sachgerechte Auslegung des Pumpensystems ist das wich-
Aufstellungsplanung
tigste Element für die Optimierung der Lebenszykluskosten. Alle
Ist das Verfahren einmal festgelegt, lassen sich die Rohrleitungs-
Komponenten sollten gut aufeinander abgestimmt und möglichst
und Energiekosten noch durch die Aufstellung von Behältern und
optimal an die geplanten Betriebsbedingungen angepasst sein.
Maschinen beeinflussen. Selbstverständlich sollten unnötige Wege
Auch gut gemeinte „Sicherheitszuschläge“, also eine Überdimensi-
vermieden werden. Aber auch die statische Höhe spielt eine Rolle.
onierung von Pumpen und Antrieben, können die Investitions- und
Die Befüllung eines hohen, schmalen Tanks erfordert mehr Energie
Betriebskosten in die Höhe treiben. Optimierungsmöglichkeiten
als die eines flachen, breiten. Durch eine intelligente Anordnung
gibt es in allen Phasen von Anlagenplanung und –bau. Einige sind
von Abwasserklärbecken kann die zu installierende Pumpenleis-
im Folgenden beispielhaft aufgeführt.
tung erheblich reduziert werden. Eine Solaranlage mit Warmwas-
Verfahrensplanung
gie als ein im Keller oder unterirdisch angebrachter Warmwasser-
In vielen Fällen stehen zur Erreichung desselben Produktionsziels
speicher.
serspeicher auf dem Dach benötigt meistens weniger Pumpenener-
verschiedene Verfahren zur Verfügung. Diese können sich stark im
apparativen Aufwand und im Energiebedarf unterscheiden. Bereits
in diesem frühen Planungsstadium sollten Lebenszykluskosten
abgeschätzt werden. Einige Anhaltspunkte sind die erforderlichen
Druck- und Temperaturniveaus und die Art der eingesetzten Maschinen. Verfahren mit rotierenden oder pulsierenden Maschinen,
wie das bei Pumpensystemen der Fall ist, sind fast immer wartungsintensiver als zum Beispiel rein thermische Verfahren. Auf der anderen Seite lassen sich durch den Einsatz von Standardkomponenten, wie etwa Normpumpen, die Investitions- und Ersatzteilkosten
Frischwasser
deutlich senken. Diskontinuierliche Verfahren verursachen meist
höhere Reinigungskosten als kontinuierliche Verfahren. Verfahren
mit Gefahrstoffen können hohe Umwelt- und Bedienungskosten
haben.
Auswahl der Hauptkomponenten
Große Anlagenkomponenten, wie Wärmetauscher oder Filtrationsstufen, haben einen erheblichen Einfluss auf den Prozessenergiebe-
Warmwasser
zum Verbraucher
Nutzung der Schwerkraft anstelle von Pumpenenergie bei der
solaren Wassererwärmung
darf im Allgemeinen aber auch auf die benötigte Pumpenleistung
im Besonderen. Oft machen sie auch den größten Teil der anderen
Kostenarten aus. Eine detaillierte Beschreibung würde jedoch den
Umfang dieses Infoblattes sprengen.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Rohrleitungsplanung
Der Rohrleitungsdurchmesser hat einen entscheidenden Einfluss
auf die Kosten. Aufgrund der mathematischen Beschreibbarkeit
ist er das Beispiel, das am häufigsten für Optimierungsrechnungen
herangezogen wird. Die Kosten für dünnwandige Rohrleitungen
steigen in etwa linear mit dem Durchmesser. Der Energieverbrauch
hingegen ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Durchmessers. Es lässt sich also für gegebene Materialpreise, Rauhigkeiten und Rohrleitungswiderstände rechnerisch oder graphisch ein
Optimum bestimmen. Tatsächlich funktioniert dieser einfache
Ansatz aber nur für sehr lange, kontinuierlich durchströmte Rohrleitungen. Bei kompakteren Systemen überwiegt der Einfluss der
Armaturen, bei denen sich weder die Einkaufspreise noch die
Strömungswiderstände durch einfache Formeln in Abhängigkeit
vom Rohrleitungsdurchmesser beschreiben lassen. Das Optimum
lässt sich hier nur finden, wenn mit einer LebenszykluskostenAnalyse verschiedene Alternativen verglichen werden.
Weiterhin ist noch der mit zunehmendem Durchmesser steigende
Montage und Wärmeisolierungsaufwand zu berücksichtigen sowie
Großzügige Rohrdimensionierung in einem Wasserwerk. Um große
Druckverluste zu vermeiden wurden die Reduzierstücke sehr
gestreckt. Die nachfolgenden Rohre sind 2 Nennweiten größer als
die Pumpenstutzen.
die mit dem Durchmesser steigenden Reinigungskosten Ccip (Cleaning in place). Auf die Qualitätskosten wirkt sich die geringere me-
Auswahl von Pumpe, Motor und Regelung
chanische Belastung bei größeren Durchmessern Kosten senkend
Die Pumpe und ihr Antrieb sind das Herzstück vieler Anlagen. Es ist
aus, hingegen führt die größere Verweilzeit möglicherweise zu
von essentieller Bedeutung das Pumpensystem auf den Bedarf der
steigenden Qualitätskosten. Der bei größeren Durchmessern ver-
Anlage abzustimmen. Der Motor muss möglichst genau auf die
ringerte Leistungsbedarf der Pumpe führt zu sinkenden Investiti-
erforderliche Pumpenleistung ausgelegt sein und sollte nicht über-
onskosten. Neben dem Durchmesser spielt noch die Rohrrauhig-
dimensioniert werden. Wichtig ist, die Pumpe nicht nur entsprech-
keit eine wichtige Rolle. Auch hier verhalten sich Investitions- und
end der hydraulischen Erfordernisse, sondern auch an das Förder-
Energiekosten ge-genläufig. Es zeigt sich, dass auch für das schein-
gut angepasst auszuwählen. Die Auswahl hat Einfluss auf alle in
bar einfache Thema Rohrleitungsdurchmesser keine pauschale
der Lebenszyklus-Formel beschriebenen Kostenarten. Durch die
Aussage getroffen werden kann, sondern tatsächlich für verschie-
korrekte Auswahl des ggf. notwendigen Regelsystems kann ein
dene Varianten die Lebenszykluskosten im Einzelfall berechnet
erheblicher Teil der Energiekosten gespart werden. Näheres dazu
werden sollten.
befindet sich im Infoblatt „Auswahl und Regelung von Pumpen
und Pumpensystemen“.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Festlegung einer Überwachungs- und
Bei der Vergabe sollte versucht werden, neben den üblichen
Instandhaltungsstrategie
Gewährleistungspflichten Garantien für die zugesagten Leistungs-
Die Wahl der richtigen Instandhaltungsstrategie ist das Schlüssel-
und Zuverlässigkeitswerte zu vereinbaren. Die Haftungsfragen für
element zur Minimierung der Produktionsausfallkosten. Durch
Produktionsausfälle müssen geregelt werden. Bei größeren Anla-
eine Online-Überwachung und Zustandsdiagnose kann die Verfüg-
gen sollten die Abnahmemodalitäten festgelegt werden. Es ist
barkeit weiter erhöht werden. Der Automatisierungsgrad hat aber
empfehlenswert, sowohl eine Qualitätsabnahme-Prozedur nach
auch einen deutlichen Einfluss auf die Investitionskosten. Falls sich
der Montage als auch eine Abnahme der Leistungsparameter nach
ein Online-System nicht rentiert, sollte auf jeden Fall eine Offline-
Inbetriebnahme zu vereinbaren.
Überwachungsstrategie geplant werden. Bei der späteren Pumpenbestellung ist auf die entsprechende Anschlussmöglichkeit oder
Bauausführung
auf integrierte Sensoren zu achten.
Auch eine fachgerechte Ausführung des Rohrleitungsbaus hat
Auswahl eines Betreibermodells
ist, dass die Kriterien für eine Abnahme der Qualität vorher festge-
Im Anlagenbau gibt es eine weite Palette von Möglichkeiten – vom
legt wurden. Die Rohrleitung sollte spannungsfrei und mit Mög-
einen spürbaren Einfluss auf die späteren Betriebskosten. Wichtig
Bau und Betrieb der Anlage in eigener Regie über den Kauf schlüs-
lichkeiten für eine thermische Ausdehnung ausgeführt sein.
selfertiger Anlagen bis zu Modellen, in denen der Anlagenbauer
Druckentlastungsvorrichtungen müssen an den richtigen Stellen
auch noch für eine bestimmte Zeit den Anlagenbetrieb übernimmt
positioniert sein. Unnötige Spalte, in denen sich Feststoffe ablagern
(BOT- Build, Operate and Transfer). Der Vorteil des letztgenannten
können, sollten vermieden und die Rauhigkeit der Schweißnähte
Modells ist, dass der Anlagenbauer dabei ein wirtschaftliches Inte-
kontrolliert werden. Der Pumpenzulauf muss gerade und ohne Ein-
resse an der Minimierung der Betriebs- und Instandhaltungskos-
bauten sein. Die Fluchtung von Pumpe und Antrieb sollte überprüft
ten hat. Auf der anderen Seite sind die Transaktionskosten für ein
werden. (Anleitung findet man in dem VDMA Einheitsblatt 24277)
solches Vorgehen zu berücksichtigen. Der Risikozuschlag des Anlagenbauers führt tendenziell zu einer Erhöhung der Investitions-
Inbetriebnahme
kosten.
Auch bei sachgerechter Planung arbeitet eine Anlage nach der
Fertigstellung selten im optimalen Betriebspunkt. Durch eine Fein-
Einkauf der Anlagenteile
justierung während der ersten Inbetriebnahme können auf Dauer
Der Anfrage- und Auftragsvergabeprozess ist ein weiterer bedeut-
gesehen noch einmal bis zu zehn Prozent der Energiekosten ein-
samer Moment, in dem die Gesamtkosten der Anlage beeinflusst
gespart werden. Es sollte zunächst ein hydraulischer Abgleich vor-
werden können. Hier ist es wichtig, die geforderten Eigenschaften
genommen werden. Im Anschluss ist dann zu prüfen, welche der
der Komponenten sowie die Betriebsbedingungen und das Förder-
Optimierungsmaßnahmen sinnvoll sein können. Zu guter Letzt
medium genau zu spezifizieren. Dem Anbieter sollte signalisiert
müssen die Regelparameter optimiert werden. Durch sorgfältiges
werden, dass eine Optimierung der Gesamtkosten im Vordergrund
Arbeiten lassen sich Regelabweichungen und damit dauerhafte
steht und dass im Vergabeprozess noch Raum für Verbesserungs-
und unnötige Qualitäts- und Energiekosten vermeiden.
vorschläge ist. Die für die Instandhaltungs- und Verfügbarkeitsplanung wichtigen Daten sollten abgefragt werden (siehe hierzu auch
die entsprechenden Infoblätter). Bei den Motoren sollte auf die
Effizienzklasse geachtet und der Preis für höhereffiziente Alternativen erfragt werden. Erst mit diesen Daten kann dann eine Feinplanung der Lebenszykluskosten vorgenommen werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
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Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
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Optimierung bestehender
Anlagen von Pumpen und
Pumpensystemen.
Einführung zur Optimierung bestehender Anlagen von Pumpensystemen + Bestandsaufnahme + Verbesserungsmaßnahmen.
Einführung zur Optimierung bestehender
Anlagen von Pumpensystemen.
Eine große Anzahl bestehender Pumpensysteme bieten hohe
LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Ccip + Cqu + Cd
Potenziale für Einsparungen. Zum einen gibt es durch den technischen Fortschritt und das zunehmende Energiepreis-Bewusstsein
Ccip
Cqu
Cd
Cin
Co
Cs
Cenv
inzwischen viele Anlagenkomponenten mit höheren Wirkungsgraden als noch vor einigen Jahren. Zum anderen büßen Pumpen,
Motoren und Rohrleitungskomponenten durch Alterung an
Wirkungsgrad ein. Pumpen können bei schlechter Wartung bis
zu 15 Prozent an Wirkungsgrad verlieren. In Rohrleitungen nimmt
der Leitungswiderstand durch Korrosion und Ablagerungen zu.
Cic
Armaturen werden undicht, was zu Druckverlusten im System führen kann. Hinzu kommt, dass über die Lebensdauer eine Anlage
Cm
Ce
sich durch den Austausch von Komponenten oft vom Auslegungsoptimum entfernt, wenn der Aufwand einer Neuberechnung
gescheut wird.
Oft werden Verbesserungsmaßnahmen geplant, wenn durch
Da die richtige Abstimmung der Komponenten aufeinander das
Beispiel Pumpe oder Motor, ansteht. Tatsächlich ist dies ein guter
einen Defekt ohnehin der Austausch von Komponenten, wie zum
Schlüsselelement für geringe Gesamtkosten ist, sollten bei einer
Zeitpunkt für die Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen. Für
angestrebten Verbesserung nicht einfach nur blind Einzelteile
die Planung ist es aber eigentlich schon einen Schritt zu spät. Be-
ausgetauscht, sondern eine Optimierung des Gesamtsystems vor-
ginnt man mit der Planung vor dem Defekt, ist es wesentlich einfa-
genommen werden. Wir verstehen unter Optimierung eine Mini-
cher, ausreichend Daten für eine systematische Minimierung der
mierung der Gesamt-Lebenskosten der Anlage, wie sie durch
Lebenszykluskosten zu sammeln.
die Formel im Infoblatt „Lebenszykluskosten von Pumpen und
Pumpensystemen“ definiert sind.
Bestandsaufnahme.
Eine gute Kenntnis der Bestandsanlage ist eine wichtige Voraus-
die Rohrleitung bei verschiedenen Förderströmen und der Förder-
setzung für eine Optimierung. Daher sollte eine LCC-Analyse mit
strom der Pumpe bei variablem Gegendruck sollte gemessen wer-
einer Bestandsaufnahme beginnen. Insofern dies noch nicht
den. Wenn die apparativen Möglichkeiten dazu vorhanden sind,
geschehen ist, sollten die Anlagenkomponenten inventarisiert
sollte auch die Leistungsaufnahme des Motors in den verschiede-
werden. Kostenfaktoren sollten identifiziert werden. Anhand von
nen Betriebspunkten aufgenommen werden.
alten Werkstattberichten können Rückschlüsse auf verschleißanfällige Komponenten gezogen und Instandhaltungsintervalle be-
Innerhalb der Rohrleitung sollte der Druckabfall über Einbauten
rechnet werden. An den Maschinen oder in der Instandhaltungsab-
wie zum Beispiel Wärmetauscher, Filter oder Blenden zur
teilung sollten Formblätter für die Erfassung von Ausfallzeiten
Strömungsregulierung gemessen werden. Bei verzweigten Rohr-
bereitgestellt werden. Vorlagen dafür gibt es z. B. in der VDI-Richtli-
leitungssystemen sollten die Volumenströme in den verschiedenen
nie 3423 „Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen – Begriffe,
Strängen gemessen werden. Bei Wärmetauschern kann überprüft
Definitionen, Zeiterfassung und Berechnung“.
werden, ob die Förderströme tatsächlich dem tatsächlichen
Bedarf entsprechen, bei Tankbefüllungen, ob die Füllzeiten even-
Soweit dies möglich ist, sollten an der laufenden Anlage hydrauli-
tuell verlängert werden könnten und in geschlossenen Kreisläufen,
sche Daten aufgenommen werden. Möglicherweise muss dafür ein
ob die Förderströme in der vorliegenden Höhe tatsächlich
Testbetrieb mit Wasser gefahren werden. Der Druckverlust über
notwendig sind.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Anhand der gesammelten Daten können Schwachstellen und Po-
können. Die Ergebnisse solcher Überlegungen sollten schriftlich
tenziale für Effizienzsteigerungen identifiziert werden. Verschie-
oder graphisch festgehalten werden, so dass sie von anderen Per-
dene Verbesserungsmöglichkeiten sollten im Hinblick auf ihre
sonen nachvollzogen werden können. Für die Verbesserungsvor-
Auswirkung auf die Lebenszykluskosten untersucht werden. Dabei
schläge sollte dann die Änderung der verschiedenen Kostenarten
ist es nicht notwendig, einen genauen Zahlenwert für die Lebenszy-
als Differenzwert berechnet werden. Hierbei ist es notwendig,
kluskosten der gesamten Anlage zu berechnen. Es reicht aus, sich
einen möglichst weit reichenden Blick über alle Kostenarten
darüber klar zu werden, welche Faktoren die Kosten der Anlage
zu haben.
direkt oder indirekt beeinflussen und wo Folgekosten entstehen
Verbesserungsmaßnahmen.
Mögliche Verbesserungsmaßnahmen, die in dieser Reihenfolge
Regelstrategie überprüfen
geprüft und umgesetzt werden sollten, sind folgende:
Die Regelung bietet pauschal bei vielen Bestandsanlagen die größte Einsparmöglichkeit. Bypass- und Drosselregelung können hohe
Instandhaltung optimieren
unnötige Energiekosten, aber auch Qualitäts-, Instandhaltungs-
Die Instandhaltungsstrategie sollte überprüft werden. Dafür sind
und Produktionsausfallkosten erzeugen, wenn die Anlage oft in
die Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten im Ist-Zustand
Teillast betrieben wird. Informationen hierzu finden sich im Info-
zu bewerten.
blatt „Auswahl und Regelung von Pumpen und Pumpensystemen“.
In welchem Zustand werden die Verschleißteile zurzeit ausge-
Falls auf Drehzahlregelung umgestellt werden soll, ist dies bei der
tauscht? Kommt es zu Folgekosten bei Defekten?
Spezifikation des neuen Motors zu berücksichtigen oder der beste-
Mögliche Instandhaltungsstrategien sind im Infoblatt „Wartung
hende entsprechend umzurüsten. Sollte die Drosselregelung beibe-
und Instandhaltung von Pumpen und Pumpensystemen“ beschrie-
halten werden, ist zu überprüfen, ob Pumpe und Regelventil richtig
ben. Soll eine zustandsbezogene Instandhaltung implementiert
ausgelegt sind. Im Volllastbetrieb sollte das Ventil fast komplett
werden, ist dies in den Spezifikationen der in Zukunft zu beschaf-
geöffnet sein (Herstellerangaben beachten) und einen minimalen
fenden Komponenten zu berücksichtigen. An den Pumpen und
Druckverlust aufweisen. Gegebenenfalls ist das Regelventil auszu-
Motoren müssen entsprechende Sensoren vorgesehen werden.
tauschen und die Pumpenleistung anzupassen (siehe unten).
EnergieEffizienz lohnt sich
3
„Flaschenhälse“ weiten
Möglicherweise hat die Rohrleitung zwar einen ausreichend
großen Durchmesser für den Auslegungsförderstrom, aber durch
lokale Verengungen wird trotzdem ein hoher Druckverlust erzeugt.
Solche „Flaschenhälse“ können dort auftreten, wo für Ventile oder
Messgeräte ein kleinerer Durchmesser gewählt wurde, um Investitionskosten zu sparen. Oder die Rohrleitung wurde bewusst durch
eine Blende verengt, um den Volumenstrom zu drosseln. Solche
Einschnürungen führen zu einer steileren Anlagenkennlinie, also
zu einer rapiden Zunahme der Energieverluste mit steigendem
Förderstrom. Selbst wenn die Reduzierung des Durchmessers bei
der ursprünglichen Anlagenplanung noch ökonomisch vertretbar
war, kann es sein, dass durch eine gestiegene Anlagenauslastung,
höhere durchschnittliche Förderströme oder gestiegene Energiepreise an diesen Stellen nun unnötige Kosten verursacht werden.
Wenn es ohne übermäßig hohen Investitions- und Installationsaufwand möglich ist, sollten solche Flaschenhälse beseitigt werden.
Rost – und Mineralien haben das Trinkwasserrohr zugesetzt. Der
Querschnitt des Rohres wird verengt. Die Wandrauhigkeit nimmt
zu. Die Folge: Höhere Strömungsgeschwindigkeit und gestiegene
Druckverluste.
Volumenströme anpassen
Falls sich herausgestellt hat, dass einige der Prozessschritte mit
geringeren Förderströmen gefahren werden können, ist die Prozessführung entsprechend anzupassen. Möglicherweise muss eine
Einschnürungen der Strömung verursachen zusätzliche
Druckverluste
Anpassung der Pumpenleistung oder Einführung einer Drehzahlregelung in Erwägung gezogen werden. Bei verzweigten Systemen
mit parallelen Strängen, wie z. B. Heizungsanlagen, sollte ein hydraulischer Abgleich vorgenommen werden. Das heißt, dass in den
„Druckverbraucher“ austauschen
Strängen die Druckverluste so angepasst werden, dass durch alle
Bei Komponenten mit hohen Druckverlusten, wie Filtern und
Stränge der richtige Volumenstrom fließt. Diese Aufgabe wird
Wärmetauschern, ist zu prüfen, ob diese durch Alternativen mit
dadurch erschwert, dass sich alle Stränge gegenseitig beeinflussen.
günstigeren hydraulischen Eigenschaften ersetzt werden können.
Im Ergebnis sollte der Gesamtdruckverlust minimal sein, was be-
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn aufgrund von Korrosion
deutet, dass immer mindestens ein Strang ungedrosselt sein muss.
oder Ablagerungen ohnehin eine Investition notwendig wird
In Systemen mit Thermostatventilen kann der Einsatz einer auto-
oder wenn z. B. durch häufige Dichtungsprobleme die Instandhal-
matischen Strangdifferenzdruckregelung sinnvoll sein.
tungs- oder Produktionsausfallkosten der Komponenten besonders
hoch sind.
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Pumpe anpassen
Antrieb verbessern
Eine der wichtigsten Optimierungsaufgaben ist zu überprüfen,
Der Pumpenantrieb ist der Punkt an dem mit besonders geringen
ob die Pumpe im tatsächlichen Betriebspunkt mit ihrem optimalen
baulichen Veränderungen deutliche Wirkungsgradverbesserun-
Wirkungsgrad arbeitet. Falls dies nicht der Fall ist, sollte die Pumpe
gen erzielt werden können. Motoren büßen im Laufe ihres Lebens
ausgetauscht oder die Förderleistung durch Abdrehen oder Aus-
zwangsläufig an Wirkungsgrad ein. Bei großen Motoren können
tausch des Laufrades angepasst werden. Der Einsatz eines Frequen-
eine Generalüberholung und eine Erneuerung der Wicklung
zumrichters allein zur Einstellung des Volllast-Betriebspunktes
den Wirkungsgrad wieder verbessern. Insbesondere bei kleinen
(also ohne Regelungsaufgaben) ist nicht sinnvoll, da auch dieser
Motoren und solchen, die lange Jahreslaufzeiten aufweisen, ist es
einen eigenen Energieverlust hat (siehe auch Infoblätter „System-
aber oft sinnvoller, den Antrieb komplett auszutauschen und bei
komponenten und Energiebedarf“, „Auswahl und Regelung“
der Gelegenheit auf einen Motor mit höherer Effizienzklasse umzu-
und „Antriebstechnik und Motoren“ von Pumpen und Pumpen-
stellen. Hinweise dazu befinden sich im Infoblatt „Antriebstechnik
systemen).
und Motoren von Pumpen und Pumpensystemen“.
Bei Überprüfung der Pumpe sollten auch der Zustand des Laufrades
Auch ein überdimensionierter Motor ist sehr häufig Grund für
und der Spaltabstand geprüft und gegebenenfalls korrigiert wer-
unnötige Energieverluste. Eine Neudimensionierung kann auch
den. Möglicherweise ist auch aus diesem Grund ein Austausch des
nötig werden, wenn durch die oben genannten Verbesserungs-
Laufrades nötig. Bei der Beschaffung neuer Laufräder ist zu prüfen,
maßnahmen der Leistungsbedarf reduziert wurde.
ob es Alternativen mit höherwertigen Werkstoffen und geringeren
Oberflächenrauhigkeiten gibt.
In die Bewertung sollten nicht nur Investitions- und Energiekosten
einfließen, sondern auch die oft längere Lebensdauer von Hocheffizienzmotoren berücksichtigt werden. Auch die geringere Wärmeabstrahlung in die Umgebung kann insbesondere in klimatisierten
Produktionshallen ein Gesichtspunkt sein.
Förderhöhe (Druck) H
Regelung neu parametrieren
Reduzierter
Laufraddurchmesser
Durch Alterung und Umbauten in der Anlage können sich die Anlagenparameter so geändert haben, dass die Regelung eine unnötig
hohe Einschwingzeit oder bleibende Regelabweichung hat. Auch
die oben genannten Verbesserungsmaßnahmen machen eine Neujustierung der Regelung nötig. Eine schlecht eingestellte Regelung
kann nicht nur zu höheren Energiekosten, sondern auch zu höheren Instandhaltungskosten (z. B. bei den Regelventilen) und häufi-
Förderstrom Q
geren Produktionsausfällen führen.
Durch ein Abdrehen des Laufrades kann eine überdimensionierte
Pumpe den Erfordernissen angepasst werden.
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Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
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Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
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Auslegung von
Rohrleitungen
von Pumpen und
Pumpensystemen.
Einführung zur Auslegung von Rohrleitungssystemen +
Strömungsgeschwingigkeit und Leistungsbedarf +
Wahl des Rohrleitungsdurchmessers.
Einführung zur Auslegung von
Rohrleitungssystemen.
Die Frage, welche Kosten ein Pumpensystem über seine Lebens-
Die verfahrensbedingte Förderhöhe, die das Pumpensystem
dauer verursacht, hängt ganz wesentlich von einer anforderungs-
erbringen muss, ergibt sich aus der Differenz der Druckhöhen, der
gerechten technischen Auslegung ab. Am Anfang steht die Festle-
Geschwindigkeitshöhen und der geodätischen Höhen (Höhe über
gung des technischen Prozesses. Aus diesem leitet sich ein Bedarf
N.N.) am Ein- und Austritt des Anlagenabschnittes.
an verfahrenstechnischen Apparaten und Behältern ab. Durch
die geforderten Drücke und Volumenströme der Systemkomponenten und die räumliche Aufstellung derselben ergibt sich eine
H
=
paus — pein
ρ* g
+
Uaus2 — Uein2
2* g
+
(zaus — zein)
Förderaufgabe. Für die Feinplanung ist es nun sinnvoll, jeweils
Anlagenabschnitte zwischen zwei Apparaten oder Behältern als
Einzelsystem zu betrachten. Die dem System von außen aufge-
p = Druck, ρ = Dichte, g = Fallbeschleunigung, U = Strömungsgeschwindigkeit,
z = geodätische Höhe
gebene Transport- bzw. Druckerhöhungsaufgabe kann nun in verschiedenen Varianten umgesetzt werden. Dabei sind ein Rohrlei-
Welche dieser Einflussgrößen am Wichtigsten ist, hängt ganz von
tungsdurchmesser und eine Regelstrategie festzulegen. Beide zu-
der Aufgabe des Pumpensystems ab. Soll ein unter Druck stehender
sammen haben Einfluss auf den Leistungsbedarf und die geeignete
Dampfkessel gespeist werden, ist der erste Term der Formel ent-
Bauform der Pumpe.
scheidend, bei einer Feuerwehrpumpe die aus einem großen, offenen Tank ansaugt und am Ende des Schlauchs einen möglichst lan-
Förderhöhe
gen Strahl erzeugen soll, der mittlere und bei einer Pumpe, die ein
Bei Pumpensystemen ist es üblich, anstelle von Drücken mit so
hochgelegenes Wasserreservoir befüllt, der letzte Term.
genannten „Druckhöhen“ zu rechnen. Die Förderhöhe einer Pumpe kann im Gegensatz zum Förderdruck für eine Drehzahl und
einen Förderstrom unabhängig von der Dichte des Förderguts angegeben werden. Der statische Druck und die kinetische Energie
der Flüssigkeit lassen sich nach folgenden Formeln in eine Druckhöhe bzw. Geschwindigkeitshöhe umrechnen:
Druckhöhe [m]
=
Geschwindigkeitshöhe [m]
=
Druck [bar] * 100
Dichte [kg/I] * Fallbeschleunigung [m/s 2]
(Strömungsgeschwindigkeit [m/s] 2
2* Fallbeschleunigung [m/s 2]
Die Fallbeschleunigung (Erdanziehungskraft-Konstante) beträgt in
unseren Breitengraden etwa 9,81 m / s2.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Strömungsgeschwindigkeit und
Leistungsbedarf.
Der zweite Aspekt der Förderaufgabe ist der Förderstrom, der meis-
Die im realen Pumpensystem tatsächlich benötigte Leistung ist
tens in Kubikmetern pro Stunde angegeben wird. Die hydraulische
immer größer als die theoretische hydraulische Leistung, da an ver-
Leistung, die der betrachtete Anlagenabschnitt erbringen muss,
schiedenen Stellen im System Energieverluste auftreten. So erzeugt
ergibt sich aus dem Produkt von Förderhöhe, Förderstrom, Dichte
die Strömung in der Rohrleitung Reibungsverluste. Diese sind um-
und Fallbeschleunigung. Rechnet man mit den praxisüblichen Ein-
so größer, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist. Wählt man
heiten kg/ l für die Dichte , m3/ h für den Förderstrom Q und m für
für einen gegebenen Förderstrom einen kleineren Rohrleitungs-
die Förderhöhe H, so ergibt sich die hydraulische Systemleistung
durchmesser, nehmen die Strömungsgeschwindigkeit damit auch
P in kW:
die Energieverluste zu. Und zwar erheblich: Sie steigen in etwa in
vierter Potenz mit dem Kehrwert des Durchmessers!
P =
ρ* Q* H
367
Wahl des Rohrleitungsdurchmessers.
Der Rohrleitungsdurchmesser hat einen erheblichen Einfluss auf
Ein gutes Hilfsmittel für die Abschätzung des Leistungsbedarfs und
die späteren Energiekosten und sollte daher möglichst optimal
die Ermittlung eines geeigneten Durchmessers sind Rohrreibungs-
festgelegt werden. Je größer der Durchmesser, desto geringer die
diagramme. Diese findet man in Standard-Tabellenwerken von
Energiekosten. Er kann aber auch nicht beliebig groß gewählt wer-
Fachverlagen, oder DVGW- bzw VDI-Richtlinien. Sie sind für un-
den, da mit steigendem Durchmesser die Investitions- und Monta-
terschiedliche Rauhigkeitsklassen und Fördergüter erhältlich. Aus
gekosten, die Verweilzeit des Produktes in der Rohrleitung und im
ihnen kann der Druckverlust als Funktion von Durchfluss und Lei-
diskontinuierlichen Betrieb die Restmengen bei Rohrleitungsent-
tungsdurchmesser unmittelbar abgelesen werden. Für Reibungs-
leerung oder Produktwechsel zunehmen. Einen ebenfalls nicht zu
diagramme wird meistens die doppelt-logarithmische Darstellung
vernachlässigen Einfluss hat die Rohrrauhigkeit. Zur Minimierung
gewählt. Da der Druckverlust über einen weiten Strömungsbereich
der Lebenszykluskosten sollten auf jeden Fall Vergleichsrechnun-
im Quadrat zur Strömungsgeschwindigkeit bzw. in vierter Potenz
gen mit Rohren unterschiedlicher Qualitäten angestellt werden.
zum Durchmesser zunimmt, ergeben sich in dieser Darstellung
geradlinige Kurvenverläufe.
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
Um die Druckverluste der Armaturen einzubeziehen, werden diese
wie ein virtuelles Stück Rohrleitung betrachtet, welches den gleiCin
Co
Cs
chen Strömungswiderstand hat. Dafür müssen zunächst die äquivalenten Längen ermittelt werden. Diese sind teilweise in Katalogen
zu finden, so dass auf diese Weise der Druckverlust eines ganzen
Cic
Rohrleitungssystems mit Hilfe von Reibungsdiagrammen ermittelt
werden kann.
Cm
Ce
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Druckabfall in neuen Graugussrohren (Wasser 20°C)
100
U=
er
[m
m]
/s]
[m
eit
igk
nd
wi
sch
Str
0,05
ge
s
0,1
gs
50
0
m/
un
0,4
ess
öm
U=
0,2
hm
60
0
700
80
0
90
100 0
0
120
0
140
0
160
18 0
20 00
00
0,5
0,4
0,5
urc
25
0
30
0
35
0
40
0
1
175
20
0
0,8
0,6
2
hrd
150
5
1,0
100
1,2
5
125
40
50
Druckverlusthöhe [m pro 100 m Rohr]
10
Ro
65
25
32
20
80
15
5,0
34, m/s
0
3,5
2,5
2,0
1,5
20
50
0,02
0,01
0,5
1
2
5
10
2
5
101 2
102
5
2
5
103
2
5
104
Volumenstrom Q [m?/h]
Komplexere Rohrleitungssysteme sollten zunächst gedanklich in
Der Gesamtwiderstand in Reihe geschalteter Widerstände ergibt
ihre Bestandteile zerlegt werden, wie zum Beispiel gerade Rohr-
sich aus der Summe der Einzelwiderstände, der von parallelen
abschnitte gleichen Durchmessers, Krümmer, Armaturen, Einbau-
Rohrleitungsabschnitten aus dem Kehrwert der Quadratwurzel der
ten, etc. Diese können dann rechnerisch wie Widerstände in elek-
Kehrwerte der Einzelwiderstände:
trischen Stromkreisen behandelt werden. Der Widerstand eines
Bauteils ist dann der Druckverlust geteilt durch das Quadrat des
∆ρ
R =
Q2
Volumenstroms:
Widerstände als „Ersatzschaltbild für ein System mit parallelen Rohrleitungen“
R1
R2
Rn
1
√Rges
=
1
√R1
+
1
√R2
+ ...
1
√Rn
Bei bestehenden Anlagen, die umgebaut oder für neue Betriebs-
men auch oft zunächst die längenbezogenen Größen spezifischer
bedingungen optimiert werden sollen, kann experimentell eine
Druckverlust p/ l und spezifischer Widerstand R/ l ermittelt, um die-
Widerstandskennlinie aufgenommen und der Netzwiderstand dar-
se später mit der entsprechenden Gesamtlänge einzelner gleichar-
aus ermittelt werden. Für neue Planungen wird dieser aus in Litera-
tiger Rohrabschnitte zu multiplizieren.
tur und Katalogen erhältlichen Widerstandsbeiwerten berechnet.
In der Praxis werden bei der Berechnung von Rohrleitungssyste-
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Anlagenkennlinien
Die von der Pumpe aufzubringende Förderhöhe ergibt sich aus
dem verfahrensbedingten Anteil und den Verlusten im Rohrsystem.
Ersterer ist, wenn man von der Geschwindigkeitsdifferenz an den
Systemgrenzen absieht, statisch, also vom Förderstrom unabhängig. Letzter nimmt in etwa mit dem Quadrat des Förderstroms zu.
Die Überlagerung von beiden lässt sich als Anlagenkennlinie
im Q/ H-Diagramm darstellen.
Anlagenkennlinien im Q/ H-Diagramm
Förderhöhe (Druck) H
Zunehmender Widerstand
statischer Anteil
Förderströme Q
Je kleiner der Rohrleitungsdurchmesser, desto steiler die Kennlinie.
chende Förderhöhe definieren zusammen den Auslegungs-
Auch die Drosselung eines Ventils bewirkt, dass der Netzwiderstand
Betriebspunkt. Beide sollten bei der Planung so exakt wie möglich
an dieser Stelle höher wird und die Anlagenkennlinie entspre-
festgelegt werden. Übertriebene Sicherheitszuschläge sind nicht
chend steiler. Den gleichen Effekt hat ein Filter, der sich nach und
sinnvoll. Neben dem Volllast-Betriebspunkt kann es je nach Prozes-
nach zusetzt, nur eben viel langsamer. In allen drei Fällen nehmen
sanforderungen auch noch weitere Teillast-Betriebspunkte geben,
die Druckhöhenverluste in der Rohrleitung zu, während die stati-
auf die das System auszulegen ist. Möglicherweise ist es sinnvoll,
sche, an der Systemgrenze nutzbare Förderhöhe konstant bleibt.
mit mehreren parallelen oder in Reihe geschalteten Pumpen zu
Das heißt, die Anlage wird ineffizienter.
arbeiten. Manche Regelstrategien beruhen auf einer Manipulation
der Anlagenkennlinie, wie zum Beispiel der Einsatz eines Regel-
Betriebspunkte und Regelstrategie
ventils. Weitere Hinweise hierzu finden sich im Infoblatt „Auswahl
Damit das Fördermedium in der gewünschten Geschwindigkeit
und Regelung von Pumpen und Pumpensystemen“. Da die Betrieb-
durch die Rohrleitung fließen kann, muss eine Pumpe jeweils die
spunkte für die die Pumpe auszulegen ist, von der gewählten Re-
aus der Anlagenkennlinie ersichtliche, dazugehörige Förderhöhe
gelstrategie abhängen, ist es wichtig, diese vor Auswahl der Pumpe
aufbringen. Der maximal benötigte Förderstrom und die entspre-
festzulegen.
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de
Auswahl und
Regelung von Pumpen
und Pumpensystemen.
Einführung zur Auswahl der Pumpe + Pumpenkennlinien +
Laufraddurchmesser + Antrieb + Regelung von Pumpensystemen +
An- / Ausregelung + Drosselregelung + Bypass-Regelung + Drehzahlregelung + Sonstige Regelungsmechanismen.
Einführung zur Auswahl der Pumpe.
Zur Erfüllung einer Förderaufgabe steht dem Anwender eine
Die meisten Förderaufgaben lassen sich mit Kreiselpumpen
Vielzahl von Pumpentypen zur Verfügung. Sie lassen sich in zwei
kostengünstiger bewerkstelligen als mit Verdrängerpumpen. In
Hauptklassen, nämlich die Verdrängerpumpen und die Strömungs-
einigen Sonderfällen sind Kreiselpumpen jedoch nicht geeignet,
maschinen (in erster Linie Kreiselpumpen) unterteilen. Bei Ver-
z. B. beim Ansaugen aus starkem Unterdruck, Überwinden sehr
drängerpumpen wird die Flüssigkeit z. B. durch einen Kolben, ein
großer Förderhöhen bei gleichzeitig geringen Förderströmen oder
Zahnrad oder eine Membran in die Druckleitung geschoben.
bei bestimmten Fördergütern. In solchen Fällen kann aus einem
Verdrängerpumpen bauen in der Regel keinen stetigen Druck auf,
reichhaltigen Angebot verschiedener Verdrängerpumpen-Bau-
sondern haben einen oszillierenden Druckverlauf. Strömungsma-
arten der passende Typ gewählt werden. Aber auch innerhalb der
schinen erzeugen die Druckdifferenz durch Umlenkung und
Kreiselpumpen-Familie gibt es große Unterschiede, die z. B. durch
Beschleunigung der Flüssigkeit, z. B. durch die Fliehkraft in einem
die Form des Laufrades, die Anzahl der Laufräder oder durch die
sich drehenden Laufrad. Sie haben einen kontinuierlichen Förder-
Art der Anströmung bestimmt werden.
strom und einen stetigen Förderdruck.
Pumpenkennlinie.
Jede Pumpe hat eine Kennlinie, aus der erkenntlich wird, welche
grund des höheren Drehmoments reduziert. Bei Kreiselpumpen
Volumenströme sie bei verschiedenen anstehenden Gegendrücken
hingegen ist der Förderstrom neben der Drehzahl auch stark von
fördern kann. Bei Verdrängerpumpen hängt der Förderstrom fast
der Förderhöhe abhängig. Der Betriebspunkt stellt sich am Schnitt-
nur von der Drehzahl ab und nimmt bei steigendem Gegendruck
punkt von Anlagen- und Pumpenkennlinie ein.
nur um soviel ab, wie sich die Drehzahl des Pumpenantriebs auf-
Pumpenkennlinien für Verdrängerpumpen
Pumpenkennlinien für Kreiselpumpen
Pumpenkennlinien
Anlagenkennlinie
Pumpenkennlinie
geringere
Drehzahl
Förderstrom Q
Förderhöhe (Druck) H
Förderhöhe (Druck) H
Motor-Schlupf
geringere
Drehzahl
Anlagenkennlinie
Förderstrom Q
Betriebsbereich und Pumpenwirkungsgrad
Mit einer geeigneten Regelung können die meisten Pumpen einen
die Energiekosten und den Verschleiß der Pumpe zu minimieren,
weiten Betriebsbereich im Q / H-Diagramm abdecken. Insbesondere
muss die Pumpenbauart und -größe so auf die Prozessanforderun-
bei Kreiselpumpen variiert jedoch innerhalb des möglichen Be-
gen und die gewählte Regelstrategie abgestimmt werden, dass die
triebsbereiches der hydraulische Wirkungsgrad der Pumpe stark.
verschiedenen Betriebspunkte möglichst im Bereich der besten
In den vom Pumpenhersteller erhältlichen Kennlinien-Diagram-
Wirkungsgrade liegen.
men sind die Wirkungsgrade bei den verschiedenen Förderströmen
und –höhen abhängig von der Drehzahl grafisch dargestellt. Um
EnergieEffizienz lohnt sich
1
NPSH-Wert
1 m3 / s zu liefern. Aus der spezifischen Drehzahl lassen sich Rück-
Ein wichtiges Auslegungskriterium für Kreiselpumpen ist der
schlüsse auf die Pumpenbauform, die Form der Pumpenkennlinie
erforderliche Vordruck. Dieser hängt vom Dampfdruck und damit
und auch den maximal erreichbaren Wirkungsgrad ziehen. Als
auch von der Temperatur des Förderguts ab. Üblicherweise wird
Daumenregel kann man folgendes festhalten: Je höher die spezifi-
die erforderliche Druckhöhe am Saugstutzen unter der englischen
sche Drehzahl, desto höher der hydraulische Wirkungsgrad
Abkürzung NPSH (Net Positive Suction Head) in Pumpendiagram-
und das Verhältnis von Förderstrom zu Förderhöhe. Trotz des gerin-
men grafisch als Funktion des Förderstroms dargestellt. Wird dieser
geren Wirkungsgrades kann es manchmal notwendig sein, Pum-
Druck unterschritten, kommt es zu Kavitation in der Pumpe, was
pen mit geringeren spezifischen Drehzahlen zu wählen, weil der
zu Schäden an den Laufrädern führen kann. Näheres hierzu findet
Anwendungsfall bei einem geringen Förderstrom eine hohe
sich im Infoblatt „Einbau und Betrieb von Pumpen und Pumpen-
Förderhöhe erfordert.
systemen“. Bei der Planung muss überprüft werden, ob der NPSHWert bei allen Betriebszuständen Pumpe eingehalten werden kann.
Verschiedene Laufradbauformen sind:
Ist dies nicht der Fall, gibt es Möglichkeiten, diesen zu erhöhen,
z. B. indem der Vorlaufbehälter an einem höheren Ort aufgestellt
Flügelräder ns
und damit der statische Druck im Vorlauf erhöht wird. Oder es
Radialräder ns
= 8 bis 45 U / min
muss eine andere Pumpe gewählt werden, die einen niedrigeren
Halbaxialräder ns
= 40 bis 160 U / min
NPSH erfordert, z. B. eine mit geringerer Drehzahl oder eine
Axialräder ns
= 100 bis 300 U / min
= 4 bis 12 U / min
mehrstufige Pumpe.
Drehzahl, Spezifische Drehzahl und Laufradform
Wirkungsgrade unterschiedlicher Laufräder
Wie oben bereits gezeigt wurde, hat die Drehzahl einen Einfluss
auf die Pumpenkennlinie und damit auf den Betriebspunkt bei
100%
einer gegebenen Anlagenkennlinie. Dieser Effekt wird auch zur
90%
davon gibt es auch bei ungeregelten Pumpen Varianten mit
80%
verschiedenen Drehzahlen. Dies kann entweder durch ein Getrie-
70%
be erreicht werden, oder durch die Verwendung eines anderen
Motors. So gibt es zu vielen Kreiselpumpen, die regulär mit einem
2-poligen Asynchronmotor verkauft werden und bei Europäischer
Netzfrequenz mit 3.000 Umdrehungen pro Minute arbeiten noch
eine baugleiche Schwester mit 4-poligem Motor, die dann mit
1.500 Umdrehungen pro Minute arbeitet. Die Pumpenkennlinie ist
dabei im Q / H-Diagramm parallel in Richtung des Ursprungs
verschoben.
Wirkungsgrad
Regelung mit drehzahlvariablen Antrieben genutzt. Unabhängig
60%
50%
40%
30%
4 5
6 7 8
10
20
30 40 50 60
80
100
Spezifische Drehzahl ns
Eine andere Größe ist die „spezifische Drehzahl ns“, die nichts über
die tatsächliche Drehzahl aussagt, sondern der Klassifizierung der
Pumpenbauformen dient. Sie gibt die Drehzahl an, mit der ein in
allen Teilen geometrisch ähnliches Laufrad arbeiten müsste, um im
Bestpunkt bei einer Förderhöhe von 1 m einen Förderstrom von
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Laufraddurchmesser.
Bei Kreiselpumpen hat eine Variation des Laufraddurchmessers
bei der die Form der Kennlinie am besten den Anforderungen an
einen ähnlichen Effekt wie eine Variation der Drehzahl. Das liegt
Stabilität und Regelbarkeit entspricht und die den höchsten
daran, dass beide Größen einen direkten Einfluss auf die Fluidge-
Wirkungsgrad ermöglicht. Der Schnittpunkt mit der Anlagenkenn-
schwindigkeit an den Flügelspitzen des Laufrades haben. Dieser
linie wird dann durch die Wahl des Laufraddurchmessers festge-
Effekt wird zur Abstimmung der Pumpenleistung auf den tat-
legt. Weiterhin wird die Möglichkeit, das Laufrad auf einer Dreh-
sächlichen Bedarf genutzt. Kreiselpumpen einer Bauform werden
maschine zu verkleinern („das Laufrad abdrehen“), genutzt,
von vielen Herstellern standardmäßig mit verschiedenen Laufrä-
um eine Pumpe, die mit einem geringfügigen Sicherheitszuschlag
dern angeboten. So kann die Pumpenbauart gewählt werden,
ausgelegt wurde nach dem Praxistest genau anzupassen.
Antrieb.
Da je nach gewähltem Laufraddurchmesser und Betriebspunkt
Aufgabe nicht erfüllen kann und ein zu großer Motor neben den
unterschiedlich maximale Drehmomente nötig sind, werden
zusätzlichen Investitionskosten zu unnötigen Energieverlusten
viele Pumpen mit verschiedenen Motoren zur Auswahl angeboten.
und damit höheren laufenden Kosten führt. Weitere Informatio-
Die erforderliche Motorleistung lässt sich ebenfalls im Pumpen-
nen befinden sich im Infoblatt „Antriebstechnik und Motoren von
diagramm ablesen. Die notwendige Motorgröße sollte sehr genau
Pumpen und Pumpensystemen“.
ermittelt werden, da die Pumpe mit einem zu kleinen Motor ihre
Bestpunkt
Förderhöhe H [m]
abnehmender
Wirkungsgrad
abnehmender
Laufraddurchmesser
Förderstrom Q
EnergieEffizienz lohnt sich
abnehmender
Laufraddurchmesser
NPSH [m]
abnehmender
Wirkungsgrad
Leistung [kW]
Typisches Pumpendiagramm mit Wirkungsgraden, Motorleistung und NPSH-Wert
Förderstrom Q
3
Regelung von Pumpen und
Pumpensystemen.
Jede Pumpe ist optimal auf einen bestimmten Arbeitspunkt aus-
gungen in einen stabileren oder effizienteren Betriebszustand
gelegt. Für diesen Punkt erfüllt sie eine Aufgabe, indem sie einen
zurückzuführen.
bestimmten Förderstrom gegen einen bestimmten Druck bereit-
Ein anderer Fall tritt ein, wenn aufgrund äußerer Bedingungen
stellt. Für diesen Punkt erreicht sie ihren höchsten Wirkungsgrad.
nicht mehr die volle Auslegungsleistung des Pumpensystems benö-
Oft werden aber an eine Pumpe in verschiedenen Betriebssituatio-
tigt wird, etwa weil die Produktion zurückgefahren wird, oder weil
nen unterschiedliche Anforderungen gestellt. Es kann vorkommen,
ein Heizungssystem wegen höherer Außentemperaturen eine ge-
dass sich der Gegendruck im Laufe des Betriebs ändert, z. B. wenn
ringere Wärmemenge benötigt. Wenn die Pumpe dann noch mit
ein Tank gefüllt wird und der Flüssigkeitsspiegel steigt oder wenn
der Auslegungsleistung weiter liefe, wäre das Gesamtsystem ineffi-
ein Filter in der Rohrleitung sich nach und nach zusetzt. Viele Pum-
zient, selbst wenn die Pumpe, für sich allein betrachtet, noch in
pen können sich bis zu einem gewissen Grad selbständig an andere
einem effizienten Betriebspunkt arbeiten würde. In diesem Fall
Betriebszustände anpassen, selten aber tun sie dies optimal. Eine
kann eine Regelung helfen, die Gesamtsystemeffizienz zu
Regelung kann helfen, eine Pumpe bei geänderten Systembedin-
verbessern.
An- / Ausregelung.
Eine sehr einfache, aber auch sehr effiziente Art der Regelung ist
Die Frage, ob diese Regelung wirtschaftlich ist, lässt sich nur durch
das An- und Ausschalten der Pumpe. Steht nur eine Pumpe zur Ver-
eine Betrachtung der Gesamtkosten entscheiden. In die Investiti-
fügung, dann handelt es sich um eine einfache Zweipunkt-Rege-
onskosten Cic und Installationskosten Cin fließen die Größe des
lung. In diesem Fall gibt es nur Betrieb oder Nicht- Betrieb. Dies
Behälters und die in der Regel eher geringen Automatisierungskos-
geht immer dann, wenn ein intermittierender Förderstrom erlaubt
ten als Faktoren ein. Das Behältervolumen ist der Schalthäufigkeit
ist, wenn beispielsweise der Flüssigkeitsspiegel in einem hinter der
anzupassen, bzw. bei bereits vorhandenem Behälter die Schalthäu-
Pumpe gelegenen Behälter oder im Pumpensumpf bzw. Vorlauf-
figkeit dem Behältervolumen. Die Instandhaltungskosten hängen
behälter in gewissen Grenzen schwanken darf. Die Vorteile dieser
von Schalthäufigkeit, Pumpen- und Motorbauart sowie Leistung
Regelung sind, dass fast keine zusätzlichen Investitionskosten an-
und statischem Gegendruck ab. Längere Pausen zwischen den
fallen und die Pumpe immer in ihrem Auslegungspunkt betrie-
Schaltungen wirken bei den Instandhaltungskosten kostensen-
ben wird. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass Pumpe, Motor und
kend aber bei den Investitionskosten aufgrund des höheren erfor-
Stromnetz durch die Schaltvorgänge belastet werden und dass im-
derlichen Volumens kostensteigernd.
mer mit vollem Volumenstrom und damit auch hohen Reibungsverlusten gefahren wird.
Die Energiekosten hängen von Durchmesser und Länge der Rohrleitung, sowie vom Verhältnis zwischen Pausen- und Betriebszeiten
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
ab. Längere Gesamtpausenzeiten wirken hier kostensteigernd, da
dann während des Betriebs mehr Volumenstrom durch die Rohrleitung gefördert und die Pumpenleistung entsprechend größer
Cin
Co
Cs
dimensioniert werden muss.
Verallgemeinernd lässt sich feststellen, dass bei kurzen Rohrleitun-
Cic
gen und ohnehin vorhandenen Behälterkapazitäten diese Art der
Regelung tendenziell kostengünstig ist.
Cm
Ce
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Eine Variante, die mehrere Betriebspunkte erlaubt, ist ein System
keit des Systems und es fallen höchstens dann Produktionsausfall-
mit mehreren parallelen Pumpen, die je nach Leistungsbedarf
kosten an, wenn eine Instandhaltungsmaßnahme genau dann
einzeln oder gemeinsam angeschaltet werden. Diese Anordnung
durchgeführt werden muss, wenn eigentlich alle Pumpen benötigt
hat gegenüber der Einpumpen- Variante den Vorteil, dass ein kon-
würden. Weitere Hinweise hierzu finden sich im Infoblatt „Sicher-
tinuierlicher, wenn auch nur stufenweise einstellbarer Teillast-
heit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit von Pumpen und Pumpensys-
Förderstrom möglich ist. Dadurch ist kein oder nur ein kleinerer
temen“.
Pufferbehälter notwendig. Außerdem erhöht sich die Verfügbar-
Parallele Pumpen und Pumpe mit Bypass
Druckseite
Erläuterung der Zeichen in der Grafik von links nach rechts:
Reservoir, Drossel, Pumpe, Rückschlagklappe, Drossel
Drosselregelung.
Bei der Drosselregelung wird der Förderstrom durch ein Regelventil in der Rohrleitung gedrosselt. Diese Art der Regelung ist sehr
Verschiebung des Betriebspunktes bei der Drosselung
eines Regelventils
weit verbreitet bei Kreiselpumpen kleiner und mittlerer Leistungsgröße. Sie ist apparativ sehr einfach umzusetzen. Da sich beim
Drosseln des Ventils der Rohrleitungswiderstand erhöht, steigt der
Pumpenkennlinie
Gegendruck an der Pumpe und es stellt sich entsprechend der Pumstellt sich das so dar, dass die Rohrleitungskennlinie mit zunehmender Drosselung immer steiler wird und der Schnittpunkt der
Kennlinien sich nach links in Richtung kleinerer Förderströme verschiebt. Die Drosselregelung verursacht aus zwei Gründen zusätzliche Energieverluste. Zum einen wird am Regelventil hydraulische
Energie in Wärme umgewandelt. Zum anderen entfernt sich der
Betriebspunkt bei der Drosselung vom Auslegungspunkt der Pum-
Drosselung
Förderhöhe (Druck) H
penkennlinie ein neuer Förderstrom ein. Im Kennliniendiagramm
Anlagenkennlinie
Förderstrom Q
pe und des Motors und führt so in der Regel zu einer Verschlechterung der Wirkungsgrade.
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Bei Verdrängerpumpen lässt sich der Förderstrom nicht ohne
Bei der betriebswirtschaftlichen Bewertung einer Drosselregelung
Weiteres durch Drosseln der Rohrleitung regeln, da diese Pumpen
müssen als Anschaffungskosten die Kosten für das Regelventil,
konstruktiv bedingt bei einer konstanten Drehzahl immer den
Automatisierungskosten sowie die Sicherheitsvorkehrungen, wie
gleichen Förderstrom liefern. Ein Regelventil in der Rohrleitung
Berstscheibe oder Sicherheitsventil und gegebenenfalls ein Bypass
kann jedoch zur Regelung des Druckes verwendet werden, wobei
zur Absicherung des Mindestförderstroms berücksichtigt werden.
dann Vorrichtungen dafür getroffen werden müssen, dass die
Die Energiekosten ergeben sich aus dem Energieverbrauch bei
Pumpe nicht durch Fahren gegen ein geschlossenes Ventil beschä-
den jeweiligen Punkten auf der Pumpenkennlinie und der Anzahl
digt werden kann. Eine Möglichkeit dafür wäre ein Bypass mit
der Stunden, die das System in diesen Betriebspunkten gefahren
einem Sicherheitsventil. Verwendet man im Bypass statt des Sicher-
wird. Hierbei ist zu beachten, dass sich bei Teillast nicht nur der
heitsventils ein Überströmventil, welches einen konstanten Druck
Pumpen- sondern auch der Antriebswirkungsgrad verschlechtert.
hält, kann das Regelventil in der Rohrleitung auch zum Regeln
Hinzu kommen noch die Instandhaltungskosten des Regelventils
des Volumenstroms verwendet werden. Diese Variante wäre eine
und eventuell höhere Instandhaltungskosten der Pumpe, wenn
Mischform aus der Drossel- und der weiter unten beschriebenen
diese durch häufiges Fahren in einem ungünstigen Betriebspunkt
Bypass-Regelung.
mechanisch stark beansprucht wird. Zusätzliche Qualitätskosten
können entstehen, wenn das Produkt im Regelventil mechanisch
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
beansprucht wird, oder sich im Ventil Keime oder Ablagerungen
festsetzen.
Cin
Co
Cs
Cic
Cm
Ce
Bypass-Regelung.
Bei einer Bypass-Regelung wird ein Teil des Förderstroms von der
die Mindestmengenregelung bei Hochdruckkreiselpumpen, mit
Druckseite auf die Saugseite der Pumpe, z. B. in den Vorlaufbehäl-
der in besonderen Betriebssituationen, wie z. B. beim Anfahren
ter, zurückgeführt. Die Menge des zurückgeführten Produkts kann
gegen ein geschlossenes Ventil in der Rohrleitung, dafür gesorgt
durch ein Regelventil oder bei Konstantdruck-Regelung durch
wird, dass ausreichend Fördergut durch die Pumpe zirkuliert.
ein Überströmventil bestimmt werden. Die Bypass-Regelung wird
Hierdurch soll eine unzulässige Erwärmung des Förderguts und
vor allem bei Verdrängerpumpen eingesetzt, wo eine Drosselung
damit einhergehende Belastung von Dichtungen und Lagern
des Volumenstroms nicht möglich ist. Ein weiteres Einsatzgebiet ist
vermieden werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
6
Eine Bypass-Regelung kann auch eingesetzt werden, wenn ein
nur unnötige Energiekosten, sondern eventuell auch weitere
intermittierender Förderstrom benötigt wird, aber der Motor zum
Folgekosten durch die Erwärmung. Daher ist die Bypass-Regelung
Schutz vor Überhitzung nicht so häufig geschaltet werden darf. In
bei Kreiselpumpen meistens energetisch noch ungünstiger als
diesem Fall werden höhere Energiekosten in Kauf genommen, um
die Drosselregelung. Eine Ausnahme bilden Pumpen, deren Leis-
die Instandhaltungskosten zu begrenzen. Diese Art der Regelung
tungsaufnahme mit fallendem Förderstrom steigt, z. B. Axialpum-
ist aber nur zu empfehlen, wenn die Förderunterbrechungen sehr
pen. Hier ist die Bypassregelung energetisch günstiger als die
kurz gegenüber den Zeiten mit Volllastförderung sind.
Drosselregelung.
Parallele Pumpen und Pumpe mit Bypass
Ccip
Cqu
Cd
Cin
Co
Cs
Cenv
Bypass
Druckseite
Cic
Cm
Ce
Erläuterung der Zeichen in der Grafik von links nach rechts:
Reservoir, Drossel, Pumpe, Rückschlagklappe, Drossel
Bei den Investitions- und Installationskosten der Bypass-Regelung
Ein Vorteil der Bypass-Regelung ist, dass die Pumpe immer in ihrem
tung und zusätzliche Armaturen berücksichtigt werden. Die Ener-
Auslegungspunkt betrieben wird. Nachteilig sind der bei großen
giekosten sind in allen Betriebszuständen, also auch bei Teillast,
müssen die Automatisierungskosten sowie Kosten für die Rohrlei-
Förderströmen hohe Platzbedarf für Rohrleitung und Armaturen,
so hoch wie im Volllastbetrieb. Hinzuzurechnen sind die Folgekos-
sowie die Tatsache, dass die hydraulische Energie im Bypass
ten der Erwärmung wie Qualitätskosten oder Energiekosten für
komplett in Wärme umgewandelt wird. Hieraus resultieren nicht
die spätere Abkühlung des Förderguts.
Drehzahlregelung.
Eine Drehzahlregelung beeinflusst die hydraulische Leistung der
Abhängigkeit vom Rohrleitungswiderstand stellt sich dann ein För-
Pumpe und damit die Pumpenkennlinie. Bei einer Verdrängerpum-
derstrom ein. So lassen sich bei Kreiselpumpen durch Drehzahlva-
pe ist Förderstrom direkt proportional zu Drehzahl oder Hubfre-
riation Druck und Volumenstrom regeln, bei Verdrängerpumpen
quenz. Bei einer Kreiselpumpe hängt die abgegebene hydraulische
lediglich der Volumenstrom.
Leistung von der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades ab. In
EnergieEffizienz lohnt sich
7
Der Effekt einer reduzierten Drehzahl bei einer Kreiselpumpe
Ccip
Cqu
Cd
Cin
Co
Cs
Cenv
ähnelt dem Effekt eines reduzierten Laufraddurchmessers. Die
Pumpenkennlinie verschiebt sich parallel nach links-unten im Q-HDiagramm. Bei Pumpensystemen, die nur Reibungsverluste haben
und keine statische Druckdifferenz überwinden müssen, bewegt
sich der Schnittpunkt der Kennlinien und damit der Betriebspunkt bei Variation der Drehzahl entlang einer Linie konstanten
Cic
Wirkungsgrades. Ist die Pumpe so ausgelegt, dass sie bei Volllast
im Bestpunkt arbeitet, kann sie durch Drehzahlregelung auch bei
Cm
Ce
Teillast mit optimalem Wirkungsgrad gefahren werden. Solche
Systeme sind zum Beispiel Umwälzpumpen in geschlossenen Kreisläufen. In diesen Fällen kann eine Drehzahlregelung im Teillastbe-
Für die Investitions- und Installationskosten einer Drehzahlrege-
trieb einen erheblichen Teil der Energiekosten einsparen.
lung sind die Automatisierungskosten und die Kosten des drehzahlvariablen Antriebs anzusetzen. Die Energiekosten ergeben sich aus
Weniger stark ausgeprägt ist dieser Vorteil bei einem hohen
dem Energieverbrauch bei den jeweiligen Schnittpunkten der
statischen Druckanteil. Hier verschiebt sich der Betriebspunkt bei
verschobenen Pumpenkennlinie mit der Anlagenkennlinie, dem
Drehzahlreduzierung in einen Bereich schlechteren Wirkungs-
Antriebswirkungsgrad und der Anzahl der Stunden, die das System
grades. Ein solches System ist z. B. ein von einer Kreiselpumpe ge-
in diesen Betriebspunkten gefahren wird. Die Energieeinsparung
speister Dampfkessel. Die Form der Pumpenkennlinie hat ebenfalls
gegenüber Volllastbetrieb und gegenüber anderen Regelungs-
einen Einfluss. Bei steilen Kennlinien (z. B. axialen und halbaxialen
arten ist umso größer, je steiler die Pumpen- und Systemkennlinie
Pumpen) sind die Einsparungen größer als bei flachen (z. B. Radial-
verlaufen und je häufiger die Pumpe in Teillast betrieben wird.
pumpen).
Beim Volllastbetrieb können unter Umständen Energiekosten
Verschiebung der Pumpenkennlinie bei Variation der Drehzahl
ungeregelten Motor hinzukommen. Bei den Instandhaltungs- und
durch einen geänderten Antriebswirkungsgrad gegenüber einem
Produktionsausfallkosten ergeben sich Kosteneinsparungen aufgrund der geringeren mechanischen Belastung der Pumpe im
kleinere Drehzahl
Teillastbetrieb.
Verallgemeinernd lässt sich feststellen, dass sich ein drehzahl-
Förderhöhe (Druck) H
variabler Antrieb fast immer rentiert, wenn das Lastprofil über
die Betriebszeit starke Unterschiede ausweist, der Anteil der
Reibungsverluste hoch ist und eine stufenweise Regelung mit
parallelen Pumpen nicht machbar oder nicht wirtschaftlich ist.
Bei Elektromotoren kann die Drehzahlregelung durch Spannungsoder Frequenzumrichter oder stufenweise über eine PolumschalFörderstrom Q
tung erfolgen. Bei Verbrennungs- und Gasmotoren erfolgt sie über
die Brennstoffzufuhr. Auch variable Kraftübertragungsmechanis-
Zusätzliche Vorteile der Drehzahlregelung sind die Verringerung
men wie stufenlose Getriebe kommen zum Einsatz. Diese haben
von Kavitationsgefahr, schwingungsanregenden Kräften und
aber häufig hohe eigene Energieverluste. Weitere Hinweise finden
hydraulischer Belastung der Pumpenlager. Die hydraulischen Kräf-
sich im Infoblatt „Antriebstechnik und Motoren von Pumpen und
te nehmen in etwa quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit
Pumpensystemen“.
an den Laufrädern ab. Die Lebensdauer der Lager verlängert sich
dadurch sogar in siebter Potenz!
EnergieEffizienz lohnt sich
8
Sonstige Regelungsmechanismen.
Zusammenfassende Bewertung
Jede beschriebene Regelungsart hat in bestimmten Konstellatio-
Preise der Leistungselektronik ist heute in vielen Anwendungsfäl
nen ihre Berechtigung. Man kann daher nicht eine der verschieden-
len der Einsatz einer elektronischen Drehzahlregelung ausgespro-
en Varianten grundsätzlich als beste Lösung für alle Anwendungs-
chen rentabel.
fälle bezeichnen. Dies bedeutet aber keinesfalls, dass es gleichgültig wäre, welche Regelung eingesetzt wird. Das Gegenteil ist der
Wichtig bei der Auswahl einer Regelungsstrategie ist, nicht die
Fall – die Unterschiede in den Lebenszykluskosten können immens
Mühe einer fachgerechten Auslegung zu scheuen und sich schon
sein. Es wird geschätzt, dass durchschnittlich 35 % des Energiever-
im Vorfeld Gedanken über die jährlichen Betriebsstundenzahlen in
brauchs von Pumpensystemen durch eine Optimierung der Rege-
Voll- und Teillast zu machen. Die Entscheidung sollte dann für die
lung eingespart werden könnten. Durch die steigenden Energie-
Alternative mit den geringsten Lebenszykluskosten getroffen
preise sowie die gestiegene Qualität und die gesunkenen
werden.
Energieverbrauch verschiedener Regelungsarten im
Teillastbetrieb für ein ausgewähltes Anwendungsbeispiel
100
80
60
40
20
0
Bypass
Drossel
Zweipunkt
Drehzahl
(An-Aus)
EnergieEffizienz lohnt sich
10
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de
Einbindung und Steuerung
von Pumpenantrieben.
Einbindung des Motors in das Pumpensystem +
Kraftübertragung + Leistungselektronik +
Wechselwirkungen zwischen Frequenzumrichter,
Motor und Stromnetz.
Einbindung des Motors in das Pumpensystem.
Wer sich bei der Betrachtung des Pumpenantriebs auf den Motor
Systemkomponenten
allein beschränkt, verschenkt wertvolle Optimierungspotenziale.
Die genaue Betrachtung der Einflüsse der Motorperipherie und der
Wechselwirkungen im Antriebssystem fördert ein wesentlich höheres Energieeinsparpotenzial zutage als der alleinige Vergleich
von Motorwirkungsgraden.
Der Motor als Teil des Pumpensystems beeinflusst die Wirkungsgrade der anderen Systemkomponenten und wird wiederum von
ihnen beeinflusst. Der wohl wichtigste Einfluss des Pumpenantriebs
besteht in der Vorgabe der Pumpendrehzahl und damit der Lage
des Betriebspunktes. Der Zusammenhang zwischen Betriebspunkt
Die direkten Schnittstellen des Motors zum Pumpensystem sind die
und Pumpenwirkungsgrad wird in den Infoblättern „Regelung“
Kupplung an der Motorwelle und der Anschluss an die Leistungse-
und „Auswahl der Pumpe“ beschrieben. Gleichwohl beeinflusst die
lektronik bzw. direkt an das Stromnetz. Sowohl Kraftübertragung
Last, die die Pumpe der Motorwelle aufprägt, den Motorwirkungs-
(Kupplung) als auch Leistungselektronik können genutzt werden,
grad. Dieser ist damit nicht nur vom zeitlichen Profil der Förder-
um die Pumpendrehzahl zu steuern. In diesem Infoblatt werden
mengen abhängig, sondern auch von der Frage, wie Teillastanfor-
sowohl die verschiedenen Möglichkeiten untersucht, diese Schnitt-
derungen regelungs- und anlagentechnisch umgesetzt werden.
stellen zu realisieren, als auch deren Eigenschaften, Wechselwirkungen untereinander und die Auswirkungen auf die Lebenszykluskosten des Pumpensystems.
Kraftübertragung.
Verluste bei der Kraftübertragung kosten bares Geld.
Zahnriemengetriebe haben einen verhältnismäßig guten Wir-
Nur wenn die Drehzahl des Motors Eins zu Eins auf die Pumpe über-
kungsgrad. Energieverluste entstehen durch Reibung an den
tragen werden soll und das Pumpensystem auch ohne weitere An-
Zahnflanken und durch Verbiegung der Riemen. Auch hier sollte
fahrhilfen direkt am Stromnetz starten kann, braucht die Frage
auf eine korrekte Dimensionierung geachtet werden. Bei der Um-
der Kraftübertragung nicht weiter bedacht werden. Hier sollen je-
rüstung von Keilriemengetrieben auf Zahnriemen muss beachtet
doch die Fälle untersucht werden, in denen aus prozesstechnischen
werden, dass letztere keinen Schlupf aufweisen und die Pumpe da-
Gründen eine Anpassung oder Steuerung der Drehzahl sinnvoll ist.
durch bei gleichen Riemenscheibendurchmessern schneller läuft.
Prinzipiell gilt dabei: je höher die Unter- oder Übersetzung, desto
Dadurch können sich der Betriebspunkt und damit auch der Pum-
schlechter der Wirkungsgrad.
penwirkungsgrad verändern.
Riemengetriebe verursachen
Verstellgetriebe sind Keilriemengetriebe, bei denen das Überset-
höhere Energie- und Wartungskosten.
zungsverhältnis über axial verstellbare Kegelräder stufenlos ein-
Keilriemengetriebe haben zwar geringe Anschaffungskosten, da-
stellbar ist. Der Wirkungsgrad hängt von der eingestellten Überset-
für können aber hohe Betriebskosten entstehen. Sie sind daher nur
zung ab. Die Verluste kommen wie bei den Keilriemenantrieben
für Anwendungen mit geringen Betriebsstundenzahlen zu emp-
zustande, sind jedoch – insbesondere bei kleinen Wirkdurchmes-
fehlen. Der Wirkungsgrad ist stark von einer professionellen Ausle-
sern – deutlich höher. Im Verhältnis zu vielen Regelungsvarianten
gung, Installation und Wartung abhängig. Durch Schlupf, Reibung
sind Verstellgetriebe heute oft nicht mehr wirtschaftlich.
und Biegeverluste im Riemen können Energieverluste bis zu 30 Prozent entstehen. Höhere Riemengeschwindigkeiten verbessern den
Bei Riemengetrieben sollten auch die Instandhaltungskosten be-
Wirkungsgrad. Die Kombination größerer Riemenscheiben sollte
rücksichtigt werden. Eine regelmäßige Verschleißprüfung und
daher bevorzugt werden. Ein Riemen sollte möglichst nahe an sei-
Überprüfung der Riemenspannung beugt Ausfällen vor und ver-
ner Nennleistung betrieben werden. Bei einer Nachrüstung sollte
meidet Folgeschäden. Verschlissene Riemen und Scheiben müssen
berücksichtigt werden, dass neue Riementypen bei gleichen Ab-
schnell ausgetauscht werden, da bei verschlissenen Komponenten
messungen meist für höhere Lasten ausgelegt sind.
und bei falscher Riemenspannung die Energieverluste ganz erheblich zunehmen.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Zahnradgetriebe sind effizienter –
Kostenvergleich verschiedener Möglichkeiten
Direktantriebe am effizientesten.
der Kraftübertragung
Stirnradgetriebe haben gute Wirkungsgrade. Verluste entstehen
durch Reibung an den Zahnflanken, in den Dichtungen und Lagern
sowie durch die innere Reibung des Schmiermittels. Bei optimaler
Auslastung und mit speziellen Beschichtungen der Zahnräder können bis zu 99 Prozent Wirkungsgrad pro Stufe erzielt werden. Der
Wartungsaufwand von Zahnradgetrieben ist gering und die Lebensdauer hoch.
Starre Kupplungen haben sehr geringe Energieverluste. Diese treten lediglich durch die Luftreibung der sich drehenden Teile auf.
Bei starren Kupplungen muss dauerhaft eine sehr exakte Ausrichtung zwischen Motor- und Pumpenwelle gewährleistet sein, um
erhöhte Lagerreibung und frühzeitigen Verschleiß zu vermeiden.
Flexible 1:1-Kupplungen haben hier eine höhere Fehlertoleranz. Sie
erzeugen jedoch geringfügige zusätzliche Energieverluste durch
Walkarbeit im Elastomer. Die Energieverluste von starren und flexiblen Direktantrieben sind kaum höher als ein bis zwei Prozent. Allerdings kommen hier bei einer Drehzahlsteuerung Verluste hinzu,
die durch den Frequenzumrichter erzeugt werden.
Leistungselektronik.
Die meisten Pumpenantriebe können direkt am Stromnetz betrieben werden. Um das Anfahrverhalten zu verbessern und/oder
Frequenzumrichter
die Pumpenleistung zu regeln, ist es oft sinnvoll, zwischen Netz
und Motor noch ein leistungselektronisches Bauteil zu installieren. Zu unterscheiden sind dabei reine Sanftanlaufgeräte und Frequenzumrichter.
Sanftanlaufgeräte regeln die Betriebsspannung des Motors langsam hoch und verhindern so übermäßig hohe Ströme und Drehmomentstöße beim Anfahren des Motors. Eine Stern-Dreieck-Umschaltung kann dadurch entfallen. Die Netzfrequenz bleibt dabei unverändert. Der schlechte Wirkungsgrad beim Anlaufen wird kaum
verbessert – der Anlaufvorgang wird lediglich zeitlich gestreckt. Es
gibt auch Sanftanlaufgeräte mit zusätzlicher automatischer Spannungsabsenkung, die Teillastbetrieb von selbst erkennen und die
Motorspannung entsprechend herabsetzen. So kann der Motorwirkungsgrad bei Teillast verbessert werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Frequenzumrichter bieten zusätzliche Möglichkeiten.
Spannungszwischenkreisumrichter erzeugen zunächst einen
Mit Frequenzumrichtern lässt sich die Drehzahl des Motors kon-
Gleichstrom, der einen Kondensator auflädt. Es werden nun kurze
tinuierlich ändern und so die Pumpenleistung steuern. Ein Fre-
Impulse mit voller Spannung erzeugt. Dazwischen liegen Pausen,
quenzumrichter wandelt die feste Netzspannung in eine in Fre-
in denen keine Spannung am Ausgang anliegt. Die Länge der Im-
quenz und Spannungshöhe variable Motorspannung um. Es gibt
pulse wird moduliert, so dass sich, im zeitlichen Durchschnitt über
zwei grundlegende Bauarten: Im Megawatt-Bereich werden Strom-
mehrere Impulse betrachtet, ein sinusförmiger Spannungsverlauf
zwischenkreisumrichter eingesetzt. Relevanter für geregelte Pum-
ergibt. Dieses Prinzip nennt man Pulsweitenmodulation (PWM).
pen sind die Spannungszwischenkreisumrichter, die im Bereich von
0,1 bis 500 kW zum Einsatz kommen.
Mit Frequenzumrichtern lässt sich ebenso wie mit Sanftanlaufgeräten der Motor sanft anfahren. Jeder am Markt erhältliche Umrichter
Pulsweitenmodulation
hat programmierbare Rampenfunktionen, mit denen die Beschleunigung begrenzt werden kann. Umrichterantriebe fahren kontinuierlich hoch und vermeiden dabei erhöhte Anlaufströme und
mechanische Drehmomentstöße. Es entsteht allenfalls eine kleine
Stromspitze beim Einschalten des Umrichters, da der Zwischenkreiskondensator zunächst aufgeladen werden muss. Um Vibrationen bei den Eigenfrequenzen der Pumpe zu vermeiden, können
Resonanzstellen programmiert werden. Die entsprechende Drehzahl wird dann vermieden bzw. schnell durchfahren.
Wechselwirkungen zwischen Frequenzumrichter,
Motor und Stromnetz.
Frequenzumrichter mit Pulsweitenmodulation zeichnen sich durch
Zusätzliche Abhilfe schaffen Ausgangsfilter und möglichst kurze
hohe Wirkungsgrade aus. Durch eine Anpassung der Pumpendreh-
Leitungen zwischen Frequenzumrichter und Motor. Dies mindert
zahl tragen Frequenzumrichter darüber hinaus dazu bei, den Wir-
nicht nur die EMV-Problematik, sondern auch die Belastung der
kungsgrad der Pumpe zu verbessern. Aber es müssen auch nachtei-
Motorisolation, da in langen Leitungen stehende Wellen mit beson-
lige Effekte berücksichtigt werden. Dadurch, dass der Motorstrom
ders hohen Spannungsspitzen entstehen können. Die in Frage kom-
bei der Pulsweitenmodulation nur näherungsweise sinusförmig ist,
menden Filter (EMV-, dU/dt- und Sinusfilter) verschlechtern jedoch
verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Motors um ein bis zwei
auch den Wirkungsgrad des Frequenzumrichters. Da aber gleich-
Prozentpunkte.
zeitig der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Motors verbessert werden, kann sich der Einsatz insgesamt lohnen. Im Einzelfall
Bei den einzelnen Impulsen der Pulsweitenmodulation steigt die
ist eine fachkundige Beurteilung notwendig.
Spannung schlagartig von Null bis auf die Netzspannung an. Durch
diese hohe Spannungssteilheit können elektromagnetische Stö-
Unterspannung führt zu Wirkungsgradverlusten.
rungen („EMV-Probleme“) entstehen, die in den Motor und in das
Neben den EMV-Störungen sind Spannungsabsenkungen eine an-
Stromnetz hineinwirken. Die Leitung zwischen Motor und Fre-
dere wichtige Wechselwirkung zwischen Pumpenantrieb und Um-
quenzumrichter wirkt dabei wie eine Antenne und kann elektro-
gebung. Die hohen Anlaufströme können zu Spannungsabfällen
magnetische Störungen abstrahlen, was z.B. Messgeräte in der
im Stromnetz führen und damit andere Geräte stören. Auch die
Umgebung beeinflussen kann. Um eine hochfrequenzgerechte
Pumpenantriebe reagieren empfindlich auf Spannungsabfälle, die
Verkabelung und Erdung zu gewährleisten, sollte geeignetes Mate-
nicht nur durch andere Verbraucher, sondern auch durch Schwan-
rial durch geschultes Fachpersonal eingesetzt werden. Ein weitere
kungen im Netz des Energieversorgers verursacht werden können.
mögliche Folge der Spannungssteilheit sind Ströme, die in den Mo-
Lange Leitungen und zu knapp bemessene Leitungsquerschnitte
torlagern auftreten und die Motorisolation belasten können. Dies
führen zu Spannungsverlusten in der Hausstromverteilung.
lässt sich durch die Verwendung isolierter Lager vermeiden.
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Auswirkungen von Spannungsschwankungen
Ein Unterschreiten der Nennspannung um fünf Prozent führt
zu einem Wirkungsgradverlust von zwei bis vier Prozentpunkten im Pumpenantrieb. Darüber hinaus erhöht sich die Motortemperatur, was sich wiederum negativ auf die Lebensdauer
der Isolation auswirken kann. Das verfügbare Drehmoment
nimmt mit dem Quadrat der Spannung ab. Bei 10 Prozent Spannungsabfall stehen nur noch etwa 80 Prozent des Nennmomentes zur Verfügung. Kurzzeitig verkraften Elektromotoren
Überbelastungen. Da jedoch im Allgemeinen keine Vorhersage
über die Dauer der Unterspannungen getroffen werden kann,
sollte die Motorleistung nicht zu knapp bemessen werden.
Übertriebene „Angstzuschläge“ sollten jedoch ebenso vermieden werden, da der Wirkungsgrad der Motoren sich auch verschlechtert, wenn diese im unteren Teillastbereich betrieben
werden.
Ein besonderes Problem sind Spannungsasymmetrien. Die
Spannung der drei Phasen sollte möglichst gleich hoch sein.
Asymmetrien sind zumeist die Folge einer schlechten Energieverteilung im Haus. Einphasige Verbraucher müssen gleichmäßig auf die drei Phasen aufgeteilt werden. Dazu sollten die
Wechselstromkreise im Haus so auf die Phasen des Kraftstroms
verteilt werden, dass die Stromstärke im zeitlichen Mittel jeweils etwa gleich ist. Es empfiehlt sich, große einphasige Verbraucher mit einem eigenen Stromkreis zu versehen. Auch Fehler, z.B. bei einer Blindstromkompensation, können Ursachen
für Asymmetrien sein.
Die Spannungsasymmetrie zieht in etwa den gleich hohen Wirkungsgradverlust nach sich. Das heißt: Pro Prozentpunkt Asymmetrie ist etwa mit einem Prozentpunkt Wirkungsgradverlust
zu rechnen. Hierbei handelt es sich um eine Faustformel; der
exakte Wert kann im Einzelfall abweichen. Ein Nebeneffekt des
Wirkungsgradverlustes ist eine höhere Motortemperatur, was
wiederum die Lebensdauer der Isolation beeinträchtigen kann.
Bei extremer Asymmetrie, oder wenn gar eine Phase ausfällt,
kann der Motor schnell zerstört werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
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Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
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Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
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Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
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Motoren für
Pumpenantriebe.
Welche Motoren sind für Pumpenantriebe geeignet?
+ Lebenszykluskosten von Pumpenantrieben.
Welche Motoren sind für
Pumpenantriebe geeignet?
Da Pumpen in einer Vielzahl von Bauformen für eine Vielzahl un-
Bei Synchronmotoren gibt das Stromnetz den Takt vor.
terschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden, gibt es auch eine
Das Funktionsprinzip von Synchronmotoren ist recht leicht ver-
entsprechende Vielfalt an Antriebslösungen. So gibt es für mobile
ständlich und eignet sich daher am besten für eine Einführung in
Anwendungen batteriebetriebene Gleichstrommotoren, für freiste-
die Welt der Drehstrommotoren. Im einfachsten Fall besteht ein
hende Bewässerungsanwendungen dieselbetriebene Pumpaggre-
Synchronmotor aus einem drehbar gelagerten Permanentmag-
gate und für explosionsgeschützte Anwendungen pneumatische
neten, dem „Rotor“ bzw. „Läufer“. Dieser sitzt in einem Käfig mit
Motoren.
drei Kupferwicklungen, dem „Stator“. An diese Wicklungen wird je
eine Phase des Stromnetzes angeschlossen. Aufgrund des phasen-
Der überwiegende Teil der Pumpenantriebe in Industrie und Ge-
verschobenen, sinusförmigen Spannungsverlaufs der drei Phasen
werbe besteht jedoch aus netzbetriebenen Elektromotoren. Hier
beim Drehstrom wird in den Statorwicklungen ein Magnetfeld er-
dominieren die Drehstrom-Asynchronmotoren. Eine deutlich ge-
zeugt, dessen Ausrichtung (Nord- und Südpol) sich mit der Netz-
ringere Verbreitung haben zurzeit noch Synchronmotoren, z.B.
frequenz im Stator dreht. Der magnetische Rotor folgt diesem Ma-
Permanentmagnet-Motoren und so genannte elektrisch kommu-
gnetfeld.
tierte Motoren (EC-Motoren).
Spannungsverlauf der drei Phasen beim Drehstrom
Je nachdem, ob die Motoren auf der „trockenen Seite“, also außerhalb der Rohrleitung installiert sind, oder sich im Fördergut befinden, unterscheidet man Trocken- bzw. Nassläufer. Die überwiegende Zahl der größeren Pumpen in Industrie und Gewerbe sind
Trockenläufer. Es gibt jedoch auch die "nasse" Variante. Hier befindet sich der stromdurchflossene, statische Teil zwar auch außerhalb
des Förderguts, der gesamte sich drehende Teil ist jedoch innerhalb
des Förderguts untergebracht. Man spricht auch von „Spaltrohrmotoren“. Da diese Bauform ohne Wellendurchführungen und damit
auch ohne dynamische Dichtungen auskommt, muss sie deutlich
seltener gewartet werden. Sie kommt zum einen dort zum Einsatz,
wo die Pumpen ohne regelmäßige Wartung auskommen sollen,
z.B. bei Heizungsumwälzpumpen und zum anderen dort, wo aus
Synchronmotoren drehen sich also mit der Netzfrequenz. Tatsäch-
Sicherheitsgründen Leckagen unbedingt vermieden werden müs-
lich können sie auch nur in diesem Zustand ein Moment (Drehkraft)
sen, z.B. bei explosionsfähigem oder giftigem Fördergut.
erzeugen. Kommt ein Synchronmotor aus dem Takt, z.B. weil er zu
stark belastet wird, bricht das Drehmoment schlagartig zusammen.
Im Folgenden werden zunächst die Funktionsweise und Besonder-
Aus diesem Grund benötigen sie auch zum Anfahren eine Anlauf-
heiten der für Pumpen relevanten Motortypen erläutert. Anschlie-
hilfe, z.B. einen Frequenzumrichter. Die Trägheit des Rotors wäre
ßend werden Hinweise darauf gegeben, wie durch eine voraus-
zu hoch, um ihn aus dem Stillstand auf Netzfrequenz zu beschleu-
schauende Auswahl der Antriebe die Lebenszykluskosten von Pum-
nigen.
pensystemen minimiert werden können.
Die oben beschriebenen „permanenterregten“ Motoren unterliegen einer wesentlichen Einschränkung. Permanentmagneten stehen zu vertretbaren Investitionskosten nur für kleine Leistungen
zur Verfügung. Dies führt dazu, dass in größeren Leistungsklassen
überwiegend eine Variante anzutreffen ist, die ohne Permanentmagneten auskommt. Hier wird das Rotormagnetfeld elektrisch
erregt, indem einer Wicklung auf dem Rotor über Schleifkontakte
Gleichstrom zugeführt wird. Durch die Schleifringläufer sind
diese Motoren jedoch weniger robust und auch immer noch relativ
teuer.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Synchronmotor
Die Bezeichnung Asynchronmotor rührt daher, dass sich der Rotor
nicht synchron mit dem Statormagnetfeld dreht, sondern etwas
langsamer läuft. Man spricht von einem „Schlupf“. Dieser Schlupf
hängt von der Last auf der Motorwelle ab. Je nachdem, wie die Statorwicklungen aufgebaut sind, spricht man von zwei-, vier-, sechsoder mehrpoligen Motoren. Es können immer nur ganze Polpaare,
also geradzahlige Polzahlen auftreten. Die Synchrondrehzahl des
Motors entspricht der Netzfrequenz geteilt durch die Polpaarzahl.
Ein üblicher zweipoliger Pumpenmotor hat eine Synchrondrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute bei 60 Hz (=3000/min).
Zusammen mit dem Schlupf ergibt sich im Auslegungspunkt eine
Nenndrehzahl von 2900/min. Die meisten Industriepumpen werden alternativ auch noch mit einem vierpoligen Motor und einer
Drehzahl von 1450/min angeboten. Mit polumschaltbaren Motoren
lassen sich verstellbare Drehzahlen respektive Leistungsstufen realisieren. Je nach Ausführung haben polumschaltbare Motoren in
Synchronmotoren: kompakt, gut regelbar und sehr effizient.
beiden Stufen das gleiche Drehmoment oder in der unteren Stu-
Synchronmotoren haben einige entscheidende Vorteile gegenüber
fe ein geringeres Drehmoment. Letztere entsprechen besser dem
anderen Motorbauarten. Sie haben einen sehr hohen elektrischen
Drehmomentenverlauf von Pumpen. Sie werden mit der Bezeich-
Wirkungsgrad, auch im Teillastbetrieb. Ihre Leistungsdichte, also
nung „Für Pumpen- und Lüfteranwendungen“ versehen und sind
das Verhältnis von Leistung zu Volumen, ist höher als bei anderen
zu bevorzugen.
Motoren. In Verbindung mit Frequenzumrichtern ist eine präzise
Regelung möglich, weshalb sie oft als Antriebe für Dosierpumpen
Asynchronmotor
verwendet werden. Die hohe Energieeffizienz hat ihren Preis: Synchronmotoren sind in der Anschaffung meist teurer als entsprechende Asynchronmotoren. In der Ausführung als Schleifringläufer sind sie auch etwas weniger robust. Dennoch macht sich in vielen Fällen die Mehrinvestition durch die Energiekosteneinsparung
bald bezahlt.
Zurzeit haben Synchronmotoren bei Pumpenmotoren nur eine
sehr geringe Verbreitung. Es ist jedoch anzunehmen, dass sich dies
mit steigenden Energiepreisen und zugleich sinkenden Preisen für
Frequenzumrichter ändern wird. Insbesondere permanenterregte
Synchronmotoren können hier aufgrund ihres hohen elektrischen
Wirkungsgrades bei zugleich geringen Instandhaltungskosten insbesondere bei hohen Laufleistungen deutliche Vorteile in Bezug
auf ihre Lebenszykluskosten haben.
Ein Asynchronmotor läuft der Netzfrequenz hinterher.
Auch der Asynchronmotor besteht aus einem Stator und einem Ro-
Asynchronmotoren sind preiswert, robust und weit verbreitet.
tor (Läufer) mit Kupferwicklungen. Im Gegensatz zum Synchron-
Asynchronmotoren lassen sich preiswert herstellen und sind – ohne
motor sind die Enden der Läuferwicklungen jedoch kurzgeschlos-
Schleifringe – fast wartungsfrei. Ein Betrieb am Drehstromnetz ist
sen und werden in den allermeisten Fällen nicht auf Schleifringe
meist ohne Anlaufhilfe möglich. Aufgrund dieser Vorteile sind die
geführt. Durch das Wechselfeld im Stator wird im Läufer berüh-
weit überwiegende Zahl der heute eingesetzten Drehstrommo-
rungslos ein Strom „induziert“ und damit ein Magnetfeld aufge-
toren Asynchronmaschinen. Diese weite Verbreitung sorgt dafür,
baut.
dass der Anwender aus einem großen Angebot verschiedener Lieferanten auswählen kann.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Um die Kompatibilität der angebotenen Motoren zu gewährleis-
Oberhalb von 132 kW beginnt der Bereich der „Transnormmo-
ten, wurden viele Eigenschaften in internationalen Normen festge-
toren“. Hier werden die Abmessungen aus der IEC 60072 entnom-
legt. Europaweit sind z.B. für Motoren bis 132 kW die Leistungsstu-
men. Diese sind aber keinen Leistungsstufen zugeordnet, so dass
fen und die zugehörigen Abmessungen in der EN 50347 festgelegt.
bei diesen Maschinen teilweise nicht einmal die Baureihen des glei-
Man spricht hier von „Normmotoren“. Es werden insbesondere die
chen Herstellers problemlos austauschbar sind.
Achshöhe und die Wellenenden-Abmessungen genormt, so dass
bei Trockenläuferpumpen in diesem Leistungsbereich die Motoren
EC-Motoren bestimmen ihren Takt selber.
problemlos gegen die eines anderen Herstellers ausgetauscht wer-
Elektronisch kommutierte oder EC-Motoren ergänzen die positiven
den können.
Eigenschaften von Synchronmaschinen um die Fähigkeit, sich an
die Last anzupassen. Sie sind wie Synchronmotoren aufgebaut, besitzen jedoch zusätzlich eine Leistungselektronik. Abhängig von
Normmotor
der Rotorposition wird das Drehfeld so gesteuert, dass es dem Rotor stets vorauseilt. Der Drehstrom wird beim Erreichen einer bestimmten Rotorposition weitergeschaltet. Da der Rotor selbst das
Drehfeld steuert, ist stets das volle Drehmoment verfügbar. Bei
Überlastung nimmt die Drehzahl ab, das Drehmoment bricht nicht
zusammen.
EC-Motoren sind auch unter dem Namen „Brushless-DC Motor“
(BLDC) bekannt. Sie zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad -auch im Teillastbereich-, durch hohe Leistungsdichte und
durch eine gute Regelbarkeit aus. Diesen Vorteilen im Betrieb stehen jedoch höhere Anschaffungskosten gegenüber. Zurzeit werden
EC-Motoren im Leistungsbereich bis 2 kW und dort überwiegend
für Pumpen mit Spaltrohrmotor (Nassläufer) eingesetzt. Den größten Kostenvorteil haben sie derzeit beim Einsatz als geregelte Heizungsumwälzpumpen.
Energy+ Pumps
Energy+ Pumps
Das EU-Projekt „Energy+ Pumps“ will den Markt für Heizsysteme mit hocheffizienten Pumpen vorantreiben. Ziel ist es, weitere Hocheffizienzpumpen auf den Markt zu bringen und eine
Massennachfrage zu erreichen, die den Stückpreis der Pumpen
senken kann. Langfristig sollen so die hocheffizienten Umwälzpumpen zum europäischen Standard werden.
Um diese Ziele zu erreichen führt das Projekt unter anderem
Das Projekt „Energy+ Pumps“ ist Bestandteil des Intelligent En-
die wichtigsten Akteure am Markt zusammen. Dies sind die
ergy-Europe Programms der Europäischen Kommission und
Pumpen- und Heizungshersteller, die Heizungsinstallateure
wird europaweit von zehn Partnern aus neun Ländern umge-
und die Käufer von Umwälzpumpen, sowohl Eigentümer von
setzt. Die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) ist einer der
großen Gebäudebeständen als auch private Hausbesitzer.
Partner und steht Ihnen für Informationen unter
[email protected] zur Verfügung.
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Lebenszykluskosten von Pumpenantrieben.
Die Auswahl des Pumpenantriebs sollte unter dem Gesichtspunkt
Energieverluste von Motoren
erfolgen, welche Alternative über die Lebensdauer des Motors am
wirtschaftlichsten ist. Bei Motoren haben die Anschaffungskosten
einen eher geringen Einfluss auf die Lebenszykluskosten. Auch die
Installationskosten unterscheiden sich kaum, solange es sich um
Normmotoren handelt. Bei Transnormmotoren sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Anschlüsse von Motor und Pumpe zusammenpassen.
Die Folgekosten übertreffen die Anschaffungskosten eines Motors
oft schon im ersten Jahr. Asynchronmotoren haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 12 Jahren im Bereich unter 7,5 kW,
16 Jahren im Bereich zwischen 7,5 und 75 kW und etwa 20 Jahren bei Leistungen größer als 75 kW. Angesichts dieser hohen
Lebensdauer bestimmen die Wartungs- und vor allem die Energiekosten die Summe der Lebenszykluskosten. Durch hocheffiziente Motoren können die Energiekosten gesenkt werden.
Die Effizienzklasse ist entscheidend.
Der elektrische Wirkungsgrad eines Pumpenantriebs wird durch
Energieverluste an verschiedenen Stellen bestimmt. Der Wider-
,Eine Orientierung gibt die Klassifizierung nach der freiwilligen
stand in den Kupferdrähten führt zu einer Erwärmung der Motor-
Vereinbarung zwischen der Europäischen Kommission und
wicklung. Diese Wärmeenergie muss abgeführt werden und kann
dem Komitee der Hersteller von elektrischen Maschinen und
nicht mehr für den Pumpenantrieb genutzt werden. Wenn bei der
Leistungselektronik (CEMEP). Sie teilt Motoren im Leistungsbe-
Kupferwicklung an Material gespart wird, sind die Verluste höher.
reich zwischen 1,1 kW und 90 kW in Effizienzklassen ein. Dabei
Eisenverluste entstehen durch die periodische Ummagnetisierung
wird nach Baugröße und Polzahl differenziert. Für Motoren,
des Stators (so genannte „Hystereseverluste“). Auch in der Rotor-
die mit hoher Auslastung laufen, bietet die Klasse „eff 1“ einen
wicklung entsteht Wärme. Obwohl die Rotorwicklung oft aus Alu-
hohen Wirkungsgrad. Für Anwendungen mit geringeren Be-
minium besteht, spricht man auch hier von Kupferverlusten. Rei-
triebsstundenzahlen reicht die Klasse „eff 2“. Motoren der
bungsverluste entstehen durch Lagerreibung. Hier kann auch die
Klasse „eff 3“ entsprechen nicht mehr dem Stand der Tech-
Energie für den Betrieb des Lüfters hinzugezählt werden.
nik und sollten nicht mehr eingesetzt werden. Befindet
Art, Nennleistung und Belastung der Motoren entscheiden über
kann das ein Hinweis darauf sein, dass der Motor nach
die Verluste von Elektromotoren im Dauerbetrieb. Mit steigender
CEMEP-Nomenklatur in die „Effizienzklasse“ eff 3 fällt.
sich im Katalog oder auf dem Typenschild keine Angabe,
Nennleistung nehmen die relativen Verluste ab: Große Motoren
haben wesentlich bessere Wirkungsgrade als kleine. Die Streuung
Effizienzklassen nach CEMEP-Vereinbarung für 4-polige Motoren
der Wirkungsgrade von verschiedenen Motoren einer Leistungsklasse nimmt ebenfalls mit wachsender Leistung ab. Da die meisten
Pumpenmotoren aber viele Stunden am Stück laufen, ist jeder Prozentpunkt Wirkungsgrad bares Geld wert. Bei der Auswahl eines
,
Motors sollte nicht allein dem Werbeversprechen des Herstellers
Vertrauen geschenkt werden, sondern tatsächlich verglichen werden, wie hoch der angebotene Wirkungsgrad im Verhältnis zu dem
bestmöglichen ist. Hierbei ist es wichtig zu wissen, dass die möglichen Wirkungsgrade von der Baugröße des Motors abhängen.
5
Im internationalen Vergleich sind die europäischen Anforde-
Für Industriemotoren wird Zuverlässigkeit empfohlen.
rungen an die Energieeffizienz elektrischer Antriebe wenig ambi-
Da die in den internationalen Normen spezifizierten Eigen-
tioniert. Im Gegensatz zu Europa gibt es in den USA und Kanada
schaften in vielen Fällen noch nicht ausreichend für den Einsatz
Mindestanforderungen für auf dem nordamerikanischen Markt
in der Industrie sind, haben wichtige Anwender aus der Che-
eingesetzte Motoren. Diese wurden in den Vereinigten Staaten be-
mie, der Kraftwerkstechnik und anderen Industriezweigen den
reits 1997 mit dem Energy Policy Act (EPAct) und in Kanada durch
Arbeitskreis Elektrische Antriebstechnik gegründet, welcher in
den Energy Efficiency Act verabschiedet. Auch im oberen Qualitäts-
seiner VIK-Empfehlung VE1 „Drehstrom-Asynchronmotoren“
segment sind die Nordamerikaner anspruchsvoller als die Europäer.
die industriellen Anforderungen in Bezug auf Handhabbarkeit
Die Motoren der Klasse NEMA Premium Motor Efficiency Standard
und die betriebstüchtige, zuverlässige Ausführung beschreibt.
haben einen besseren Wirkungsgrad als die europäischen eff 1-Motoren. Beim Vergleich amerikanischer und europäischer Normen
Im Interesse minimaler Lebenszykluskosten empfiehlt es sich
ist weiterhin zu beachten, dass - aufgrund unterschiedlicher Mess-
für industrielle Anwender, Motoren generell nach der VIK-
vorschriften - insbesondere im unteren Leistungsbereich die ame-
Empfehlung zu beschaffen. Viele Hersteller bieten entspre-
rikanischen Motoren effizienter sind als europäische mit einem
chende Motoren mit günstigen Lieferzeiten und nur geringen
gleich hoch angegebenen Wirkungsgrad.
Mehrpreisen an. In den meisten Fällen ist es empfehlenswert,
sich auf einen einheitlichen, hohen Standard festzulegen, da
der Aufwand einzelfallspezifischer Ausschreibungen und einer
Ersatzteilvorhaltung für verschiedene Motorstandards zumindest bei den kleineren und mittleren Leistungsklassen nicht gerechtfertigt ist.
Motor Challenge Programme
Motor Challenge Programme
Das „Motor Challenge Programme“ (MCP) ist ein Projekt der Europäischen Kommission mit dem Ziel, Industrieunternehmen
Die Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) ist natio-
zu motivieren, den energetischen Wirkungsgrad ihrer elek-
nale Kontaktstelle für dieses Programm. Wenn Sie als
tromotorisch betriebenen Systeme zu verbessern und so dem
Partner oder Unterstützer daran teilnehmen möchten,
durch Treibhausgasemissionen verursachten Klimawandel ent-
nehmen Sie bitte Kontakt zu uns auf. Nähere Informati-
gegenzuwirken. Druckluftsysteme stellen wegen ihrer weiten
onen zum MCP finden Sie auf unserer Internetseite unter:
Verbreitung einen Schwerpunktbereich des MCP dar.
www.system-energieeffizienz.de/motorchallenge.
Am „Motor Challenge Programme“ kann jedes Unternehmen – unabhängig von der Branchenzugehörigkeit – teilnehmen, das im Einklang mit den Zielen des MCP die Energieeffizienz seiner elektromotorischen Anwendungen
steigern und damit Verbrauch und Kosten senken will.
EnergieEffizienz lohnt sich
6
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner:
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi).
Eine Initiative von:
Gefördert durch das:
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche EnergieAgentur GmbH (dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de
Sicherheit, Zuverlässigkeit
und Verfügbarkeit
von Pumpen und
Pumpensystemen.
Einführung zur Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
von Pumpensystemen + Auswahl der Pumpe + Kostenaspekte.
Einführung zur Sicherheit, Zuverlässigkeit und
Verfügbarkeit von Pumpensystemen.
Neben den direkten Kosten des Pumpenbetriebs kann eine Pumpe
eine geforderte Funktion unter gegebenen Bedingungen unter
auch indirekte Kosten verursachen, wenn sie die von ihr geforderte
der Annahme erfüllen kann, dass die erforderlichen äußeren Hilfs-
Funktion nicht erfüllen kann und dadurch Produktionsausfälle ver-
mittel bereitgestellt sind.“ Die Verfügbarkeit hängt in hohem Maß
ursacht. Hinzu kommen bei einem Defekt die Kosten der Instand-
von der Zuverlässigkeit und Instandhaltung des Pumpensystems ab.
setzung und mögliche Folgeschäden an anderen Anlagenteilen.
Darüber hinaus haben die Qualifikation des Instandhaltungsperso-
Bei Unfällen kann es darüber hinaus zu Personenschäden kommen.
nals, die Häufigkeit der Wartung oder das Wartungsmanagement
Das Versagen von Pumpen in sicherheitskritischen Systemen kann
des Anlagenbetreibers bzw. des verantwortlichen Wartungsser-
mitunter sogar Schäden katastrophalen Ausmaßes provozieren.
vices Einfluss auf die Verfügbarkeit.
In diesem Dokument werden Aspekte der Sicherheit und Zuverläs-
Im Folgenden wird zunächst die Pumpe als isolierte Maschine
sigkeit behandelt, die einen Einfluss auf die Verfügbarkeit des Pum-
betrachtet. Viele Faktoren, die die (Instand-)Haltbarkeit der Pumpe
pensystems haben. Der Blick beschränkt sich auf die Funktionssi-
beeinflussen, werden bereits mit der Kaufentscheidung festgelegt.
cherheit und Haltbarkeit des Systems. Themen wie Arbeitsschutz,
Der korrekte Einbau in das System und der Einfluss der Betriebsbe-
Explosionsschutz und umweltrelevante Sicherheitsaspekte können
dingungen werden hier nur kurz angesprochen. Dasselbe gilt für
hier nicht behandelt werden, auch wenn diese möglicherweise bei
die Überwachung und Diagnose des Pumpenzustands sowie den
der Gesamtkostenbetrachtung ebenfalls eine Rolle spielen können.
eigentlichen Vorgang der Instandhaltung.
Unter Verfügbarkeit versteht man nach DIN EN 13306 die „Fähigkeit einer Einheit, zu einem gegebenen Zeitpunkt oder während
eines gegebenen Zeitintervalls in einem Zustand zu sein, dass sie
Auswahl der Pumpe.
Haltbarkeit und Zuverlässigkeit einer Pumpe hängen stark davon
digkeiten und bei aggressiven oder abrasiven Medien sollten daher
ab, dass die Bauform, das Material und die Qualität der Komponen-
hochwertige Werkstoffe und Komponenten verwendet werden.
ten den Betriebsbedingungen und dem Fördermedium angepasst
Die Bauform von Dichtungen und Lagern bestimmt nicht nur deren
sind. Frühzeitiger Verschleiß kann durch Materialermüdung, Kor-
Lebensdauer sondern auch die für eine Reparatur benötigte Zeit
rosion, Abrasion und Kavitationserosion hervorgerufen werden.
und damit in zweifacher Hinsicht die Produktionsausfallkosten.
Der Verschleiß nimmt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit
exponentiell zu. Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwin-
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Einbau und Betrieb
Beim Einbau einer Pumpe in ein Rohrleitungssystem müssen
verschiedene Aspekte beachtet werden, um einen zuverlässigen
Betrieb zu gewährleisten und die Werkstoffabnutzung zu reduzieren. Ein nicht-sachgerechter Einbau verursacht oft auch einen
höheren Energieverbrauch. Hauptziele sind die Gestaltung einer
gleichförmigen, drall- und wirbelfreien Ansaugung, die Vermeidung von Kavitation und von Betriebszuständen, welche die Pumpenbauteile übermäßig belasten.
Wartung und Instandhaltung
Eine rechtzeitige und fachgerechte Wartung der Pumpe ist eine
wesentliche Voraussetzung für eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. Verschiedene Strategien zur Optimierung von
Instandhaltungskosten und Pumpenverfügbarkeit werden im Dokument „Wartung und Instandhaltung“ vorgestellt.
Strategien zur Erhöhung der Verfügbarkeit von
Pumpensystemen
In redundanten Systemen können beim Ausfall einer Pumpen die
anderen deren Aufgabe übernehmen
Die oben angesprochenen Aspekte zielen auf die Erhöhung der
Verfügbarkeit der einzelnen Pumpe. Darüber hinaus gibt es noch
Betrieb genommen wird, wenn die erste ausfällt, oder ob sie im
verschiedene Strategien, mit denen die Zuverlässigkeit des Ge-
Regelbetrieb bereits mitarbeitet. Im zweiten Fall können die Pum-
samtsystems erhöht bzw. die Folgekosten von Pumpenausfällen
pen so ausgelegt werden, dass sie zusammen die Normalleistung
vermindert werden können. In den Fällen, wo die Kosten von Pro-
erbringen, aber jede einzelne eine zur Fortführung des Betriebs
duktionsausfällen besonders hoch sind oder aus Sicherheitsgrün-
notwendige Mindestmenge fördern kann. Diese Anordnung hat
den eine hundertprozentige Verfügbarkeit gefordert ist, wie z. B.
einen zusätzlichen Vorteil, wenn auch im Normalbetrieb zu ver-
in Kühlkreisläufen von Kraftwerken, werden Pumpen redundant
schiedenen Zeitpunkten unterschiedliche Pumpenleistungen
eingebaut.
erforderlich sind. So muss bei einem geringeren Förderstrom dann
nur eine Pumpe arbeiten, welche dann näher an ihrem Bestpunkt
Von Redundanz spricht man, wenn ein System oder eine einzelne
ist und einen besseren Wirkungsgrad hat als eine heruntergeregel-
Maschine doppelt oder mehrfach parallel in die Prozesskette
te, große Pumpe. Eine weitere Optimierung kann man erforderli-
integriert ist, um die dieselbe Funktion erfüllen können. Bei Pum-
chenfalls erreichen, wenn anstelle zweier gleich großer Pumpen
pensystemen versteht man darunter meistens das Vorhandensein
zwei unterschiedlich große installiert werden, so dass sich drei ver-
einer zweiten, parallel geschalteten Pumpe, die bei einem Ausfall
schiedene Betriebspunkte ergeben (Pumpe A, Pumpe B, Pumpen
der ersten deren Funktion übernehmen kann. Hierbei wird noch
A+B). Voraussetzung ist, dass die Fördermenge der kleineren Pum-
unterschieden, ob die zweite Pumpe „nicht-funktionsbeteiligt“
pe als sicherheitstechnische Mindestfördermenge zu jedem Zeit-
als Reserve bereitsteht und nur dann in Betrieb genommen wird,
punkt ausreicht.
wenn die erste ausfällt, oder ob sie im Regelbetrieb bereits mitarbeitet. Im zweiten Fall können die Pumpen so ausgelegt werden,
Für die Optimierung der Lebenszykluskosten müssen die bei den
dass sie zusammen die Normalleistung erbringen, aber jede
verschiedenen Alternativen variierenden Investitions- und War-
einzelne eine zur Fortführung des Betriebs notwendige Mindest-
tungskosten, Gesamtverfügbarkeiten (Produktionsausfallkosten)
menge fördern kann. Diese Anordnung hat einen zusätzlichen Vor-
und Energieverbräuche in den unterschiedlichen Betriebspunkten
teil, wenn auch im Normalbetrieb zu verschiedenen Zeitpunkten
sowie die jeweiligen Laufzeiten der einzelnen Pumpen berücksich-
unterschiedliche Pumpenleistungen erforderlich sind. So muss bei
tigt werden. Ein energetischer Vorteil für ein Zwei-Pumpen-System
einem geringeren Förderstrom dann nur eine Pumpe arbeiten,
ergibt sich, wenn lange Zeit bei kleineren Förderströmen gearbei-
welche dann näher an ihrem Auslegungspunkt ist und einen bes-
tet wird und dadurch über weite Bereiche eine kleinere Pumpe
seren Wirkungsgrad hat als eine heruntergeregelte, große Pumpe.
allein die Förderaufgabe bewältigen kann. Falls die überwiegende
Eine weitere Optimierung kann ggf. erreichet werden, wenn
Zeit eine sehr große Fördermenge gebraucht wird, ist es sinnvoller,
anstelle zweier gleich großer Pumpen zwei unterschiedlich große
die volle Menge mit einer großen Pumpe abzudecken, da größere
installiert werden, so dass sich drei verschiedene Betriebspunkte
Pumpen einen besseren Wirkungsgrad haben. In diesem Fall
ergeben (Pumpe A, Pumpe B, Pumpen A+B). Voraussetzung ist,
stünde die redundante Pumpe nicht-funktionsbeteiligt als
dass die Fördermenge der kleineren Pumpe als sicherheitstechni-
Reserve bereit.
sche Mindestfördermenge zu jedem Zeitpunkt ausreicht.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Eine andere Form der Redundanz ist die Verwendung von Maschi-
Weitere Beispiele sind Schlauch-, Membran-, oder Kolbenpumpen,
nenteilen innerhalb der Pumpe, die für einen begrenzten Zeitraum
bei denen das Fördergut durch eine Druckübertragungsvorrich-
die Funktion eines defekten Bauteils sicherstellen und so den Wei-
tung vom hydraulischen Betätigungssystem abgegrenzt wird. Bei
terbetrieb der Pumpe bis zur Instandsetzung ermöglichen bzw. bei
Beschädigung von Schlauch oder Membran ist der Betrieb bis zur
kritischen Fördergütern den Austritt in die Umgebung verhindern.
Reparatur weiterhin möglich, ohne dass Fördergut in die Hydraulik
Ein weit verbreitetes Beispiel sind die doppelten Gleitringdich-
oder an dynamische Abdichtungen kommt.
tungen. Sie bestehen aus zwei Dichtungspaaren in anwendungsspezifischen Anordnungen. Bei Versagen der ersten Dichtung hält
Zunehmende Bedeutung für die Zuverlässigkeit von Pumpensyste-
die zweite das Fördergut von der Umgebung fern. Zwischen den
men hat die kontinuierlich elektronische Überwachung und Diag-
Dichtungen befindet sich meist eine Sperrflüssigkeit, welche die
nose von Störungen, mit der sich anbahnende Defekte erkannt und
Schmierung der äußeren oder beider Dichtungen übernimmt. Zum
teure Folgeschäden vermieden werden können. Diesem Thema ist
Erkennen von Leckagen in der inneren Dichtung ist eine wie auch
das Dokument „Überwachung und Diagnose“ gewidmet.
immer geartete Überwachungsvorrichtung notwendig. Doppelte
Gleitringdichtungen werden z. B. für leichtflüchtige, giftige oder
Einflussgrößen auf die Verfügbarkeit
karzinogene Stoffe oder solche mit schlechten Schmiereigenschaften verwendet. Die Abbildung zeigt eine einfachere Variante, bei
Qualität/
Zuverlässigkeit
der Komponenten
der die Dichtflächen voneinander wegzeigen. Andere Systeme
haben einander zugewandte Dichtflächen, die in manchen Fällen
von zwei Seiten auf dieselbe stationäre Dichtfläche wirken. Neuere
Entwicklungen benutzen Stickstoff als inerte „Sperrflüssigkeit“.
Doppelt wirkende Gleitringdichtung
Instandhaltungsstrategie
Einbau und
Betriebsbedingungen
Überwachung
und Fehlerdiagnose
Verfügbarkeit des
Pumpensystems
Qualifikation
des Personals
EnergieEffizienz lohnt sich
Redundanz
von
Bauteilen
Ersatzteilvorhaltung
4
Kostenaspekte.
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
Belegzeit befindet. Dafür sollte aber für eine betriebsinterne Bewertung überlegt werden, ob tatsächlich der Verkaufswert angesetzt
wird, oder nur ein interner Verrechnungspreis. Darüber hinaus
Cin
Co
Cs
spielt es eine Rolle, ob tatsächlich die gesamte Produktion hätte
verkauft werden können und ob noch Reservekapazitäten bereitstehen, um die ausgefallene Produktion später aufzuholen. In die-
Cic
sem Fall sollten möglicherweise nur die Kosten für das während der
Ausfallzeit in der Anlage befindliche unbeschäftigte Personal ange-
Cm
Ce
setzt werden. Falls Lieferverpflichtungen bestehen, die nicht über
Lagerbestände erfüllt werden können, sind gegebenenfalls noch
Vertragsstrafen hinzuzurechnen.
Die Verfügbarkeit des Pumpensystems hat einen entscheidenden
Einfluss auf die Produktionsausfallkosten Cs. Die Ausfallkosten
Eine statistische Größe zur Berechnung der Ausfallhäufigkeit ist der
können als Kosten für die stillstehende Produktionsanlage berech-
mittlere Versagensabstand (MTBF- Mean Time Between Failures).
net werden, also Kapital- und Personalkosten, die während des Still-
Dieser bezieht sich zunächst auf eine einzelne Komponente. Für die
stands nicht durch Produktionserlöse gedeckt werden. Ein anderer,
Ausfallrate der Anlage ist auch noch die Instandhaltungsstrategie
häufig gewählter Ansatz ist die Berechnung der „Opportunitätskos-
entscheidend. Näheres hierzu findet sich im Infoblatt „Wartung
ten“, also der entgangenen Einnahmen. Das Ergebnis hängt stark
und Instandhaltung von Pumpen und Pumpensystemen“.
davon ab, wie man es berechnet. Für Haftungsfragen ist es absolut
empfehlenswert, bereits bei Vertragsabschluss festzulegen, wie die
Die oben ausgeführten Betrachtungen beziehen sich zunächst auf
Produktionsausfallkosten berechnet werden. Eine gute Basis für
ungeplante Produktionsausfälle, welche die (tatsächliche) Nut-
die Festlegung des Berechnungsverfahrens bietet die VDI-Richtli-
zungszeit im Verhältnis zur (geplanten) Belegzeit verkürzen. Für
nie 3423 „Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen“..
die Bewertung einer Investition ist aber auch noch wichtig, ob
durch eine Alternative höhere Belegzeiten erzielt werden können,
Im weitesten Sinn sind die Opportunitätskosten eines Produktions-
z. B. durch längere Wartungsintervalle, kürzere Wartungsvorgän-
ausfalls das Produkt aus dem Teil der Ausfallzeit, der sich innerhalb
ge oder redundante Anlagenkomponenten. In diesem Fall sind die
ursprünglich geplanten Nutzungszeit („Belegzeit“) befindet und
höheren Investitionskosten Cic den einsparbaren Produktionsaus-
dem Verkaufswert des auf der betroffenen Anlage produzierten
fallkosten Cs gegenüberzustellen. Bei funktionsbeteiligter Redun-
Guts pro Zeiteinheit. Der Hersteller haftet im Rahmen seiner
danz müssen auch noch die geänderten Betriebskosten (Ce, Cm, Co)
Gewährleistungspflicht höchstens für die in oben genannter Richt-
von zwei kleineren Aggregaten gegenüber einem großen berück-
linie definierte technische Ausfallzeit, wenn nicht sogar generell
sichtigt werden.
die Haftung für Produktionsausfälle ausgeschlossen ist. Für die
Lebenszykluskosten ist zusätzlich noch die organisatorische Ausfallzeit hinzuzurechnen, also der Teil, für den der Betreiber verantwortlich ist, allerdings wieder nur solange er sich innerhalb der
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
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interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
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Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de
Einbau und Betrieb
von Pumpen und
Pumpensystemen.
Einführung zum Einbau und Betrieb von Pumpensystemen +
Kritische Betriebszustände + Erlaubter Betriebsbereich +
Einbau der Pumpe und Gestaltung des Pumpenzulaufs.
Einführung zum Einbau und Betrieb
von Pumpensystemen.
Durch den falschen Einbau einer Pumpe oder durch ungünstige
grad kann gravierend sein, sondern auch der beschleunigte Ver-
Betriebsbedingungen können erhebliche Zusatzkosten im Betrieb
schleiß. Es ist daher eminent wichtig, die Hinweise zu Einbau und
entstehen. Nicht nur der Einfluss auf den energetischen Wirkungs-
Betrieb in der Betriebsanleitung des Herstellers zu beachten.
Kritische Betriebszustände.
Problematisch sind Betriebszustände, bei denen es zu einer Über-
Insbesondere bei einem drehzahlvariablen Betrieb kann es an
hitzung des Förderguts, der mechanischer Überbelastung von
einigen Betriebspunkten zu einer Übereinstimmung von Drehfre-
Laufrädern, Lagern, Wellendichtungen und Ventilen oder zum
quenz und der Eigenfrequenz von Pumpenkomponenten kommen.
Materialabtrag kommt. Einige kritische Betriebszustände sind im
Dies führt zu Resonanz und damit zu starken Schwingungen und
Folgenden aufgeführt:
mechanischer Belastung. Wenn solche Zustände auftreten, muss
bei der Regelung der Pumpe darauf geachtet werden, dass diese
Instabiler Betrieb
Frequenzen schnell durchfahren werden.
Instabile Betriebsbedingungen sind solche, in denen der Arbeitspunkt der Pumpe stark schwankt oder hin- und herspringt. Dies
Kavitation
kann zum Beispiel bei einer „durchhängenden“ Pumpenkennlinie
Unter Kavitation versteht man die Ausbildung von Dampfblasen
der Fall sein. Normalerweise steigt bei Kreiselpumpen die Förder-
in Zonen, in denen der statische Druck unter den Dampfdruck der
höhe je kleiner der Förderstrom wird. Pumpen mit kleiner spezifi-
Flüssigkeit fällt. Dies geschieht aufgrund der physikalischen Ge-
scher Drehzahl können jedoch Kennlinien haben, die bei kleinen
setzmäßigkeiten insbesondere dort, wo lokal sehr hohe Strömungs-
Förderströmen, wie etwa bei weitgehend geschlossenem Regel-
geschwindigkeiten herrschen. Bei Kreiselpumpen kann Kavitation
ventil, wieder abfallen. Eine solche Kennlinie ist in untenstehen-
am Laufschaufeleintritt, im Laufradkanal, an Einlaufrippen, in der
dem Diagramm abgebildet. Man sieht, dass dabei einem bestimm-
Leitvorrichtung sowie im Bereich der Dichtspalten der Laufräder
ten Gegendruck zwei Förderströme zugeordnet werden können.
oder der Entlastungseinrichtung auftreten. In Rohrleitungen tritt
Im Betrieb kann dies zu einem schlagartigen Wechsel zwischen
Kavitation insbesondere bei Regelventilen auf, wenn diese weit
den möglichen Betriebspunkten führen, mit der Folge einer star-
geschlossen sind oder in Einschnürungen und Umlenkungen an
ken mechanischen Belastung von Pumpe und Armaturen.
besonders hohen Stellen, weil dort der statische Druck klein ist.
Betrieb bei Eigenfrequenz
instabile Betriebspunkte
Zur Vermeidung von Kavitation in Kreiselpumpen muss darauf geachtet werden, dass ein ausreichend hoher Vordruck auf der Saug-
Förderhöhe (Druck) H
seite besteht (NPSH- Net Positive Suction Head = Druckhöhe auf der
Saugseite). Kavitation führt zu starker Geräuschentwicklung und
stabiler Betriebspunkt
starkem Materialabtrag („Kavitationserosion“).
Förderstrom Q
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Teillast-Rezirkulation
Teillast-Rezirkulation tritt insbesondere bei Kreiselpumpen mit
radialen und halbaxialen Laufrädern auf, wenn diese in Teillast betrieben werden. Es kommt zu einer partiellen Rückströmung entgegen der Hauptströmung. Diese Rezirkulation führt zu einem deutlichen Anstieg der Geräusche und der Schwingungen sowie zu
Druckpulsationen. Bei Kreiselpumpen großer Leistung können
die erhöhten Schwingungen und Druckpulsationen die Betriebssicherheit und Lebensdauer von Pumpe und Anlage deutlich
beeinträchtigen.
Strömungsabriss
Bei Axialpumpen kommt es im Teillastbetrieb zu einem Abreißen
der Strömung an den Laufrad-Schaufeln, dem sogenannten „Rotating Stall“. Dieser Strömungszustand ist besonders kritisch, weil er
mit starken Wechselbeanspruchungen des Rotors einhergeht und
bereits nach kurzer Zeit zum Schaufelbruch führen kann.
Neben den erwähnten mechanischen Schäden führen alle diese
Betriebszustände zu einem erhöhten Energieverbrauch. Die zulässigen und unzulässigen Betriebsbedingungen hängen sehr stark
vom jeweiligen Pumpentyp ab. Pumpen dürfen z. B. nicht gegen geschlossene Armaturen gefahren werden. Kreiselpumpen wiederum
sollten nicht ohne Gegendruck arbeiten, da dies zu Kavitation und
Stehende mehrstufige Kreiselpumpen in einem Industriebetrieb.
Saug- und druckseitige Anschlussrohre und Armaturen in gleicher
Nennweite mit den Anschlussstutzen der Pumpe fördern Druckverluste. Gefahr für Kavitationsschäden.
zu einer besonders hohen Leistungsaufnahme des Motors führt.
Daher müssen Kreiselpumpen zum Teil gegen ein geschlossenes
Ventil angefahren werden. Hochdruckkreiselpumpen wiederum
brauchen einen Mindestdurchlauf, da sich die Flüssigkeit sonst binnen weniger Sekunden um mehrere Grad erhitzt.
Erlaubter Betriebsbereich.
Die Grenzen zwischen schädlichen und unschädlichen Betriebs-
der Betriebszustände erforderlich. In diesen Fällen sollte der
zuständen werden von den Herstellern als Betriebsgrenzen in der
Wirkungsgrad 80 bis 85 Prozent des Bestpunktwirkungsgrades
Bedienungsanleitung angegeben. Nicht immer lässt sich der Be-
nicht unterschreiten. Während des Dauerbetriebs sollen weder in-
trieb in kritischen Zuständen vollständig vermeiden. Manchmal ist
tensive Teillast-Rezirkulation noch Kavitation auftreten. Je größer
es für Regelaufgaben oder beim Anfahren der Pumpen notwendig,
die Förderhöhe und die Leistung, umso wichtiger ist es, in Best-
kurzzeitig manche dieser Zustände zu durchfahren. Es ist daher
punktnähe zu arbeiten.
sinnvoll, einen Kurzzeit- und einen Dauerbetrieb zu spezifizieren
und die Eignung der Pumpe für beide Betriebsbereiche mit dem
Unter Kurzzeitbetrieb versteht man abnormale Betriebszustände
Hersteller abzuklären.
oder Störungen, deren kumulierte Dauer pro Jahr etwa 100 Stun-
Unter Dauerbetrieb versteht man Zustände, in denen die Pumpe
kter Kavitation oder tiefe Teillast mit starker Rezirkulation. Falls die
viele tausend Stunden laufen kann, ohne Schaden zu nehmen oder
eingesetzte Pumpe diese extremen Teillastzustände nicht zulässt,
den nicht überschreitet. Dazu gehören Überlastbetrieb mit verstär-
sich übermäßig abzunutzen. Natürlich sollte man die Pumpe so viel
ist möglicherweise ein Bypass von der Druckseite zurück zum Zu-
wie möglich in unmittelbarer Nähe des Bestpunktes betreiben. In
laufreservoir nötig, um immer die erforderliche Mindestförder-
den meisten Fällen ist aber auch im Normalbetrieb eine Variation
menge zu gewährleisten.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Einbau der Pumpe und Gestaltung
des Pumpenzulaufs.
Die Gestaltung der Rohrleitung auf der Saugseite der Pumpe hat
einen erheblichen Einfluss auf die Energiekosten und auf die Breite des möglichen Bereichs für einen Dauerbetrieb. Wichtig ist eine
gleichförmige, drall- und wirbelfreie Ansaugung. Folgende Punkte
sind, insbesondere bei Kreiselpumpen, zu beachten:
Die Saugleitung zwischen Behälter und Pumpe sollte möglichst
kurz und gerade sein.
Der Übergang vom Zulaufbehälter auf die Rohrleitung sollte abgerundet und nicht scharfkantig sein.
Der Durchmesser der Saugleitung sollte so groß sein, dass die
Strömungsgeschwindigkeit zwischen ein und zwei Metern pro
Sekunde liegt.
Falls Rohrbögen unvermeidlich sind, sollten diese nur in einer
Ebene liegen und nicht dreidimensional sein.
Zwischen Bögen oder Armaturen und dem Ansaugstutzen sollte
ein gerades Rohrstück liegen, dessen Länge mindestens fünfmal
so groß wie der Durchmesser der Rohrleitung ist.
Die Zulaufleitung darf keine Hochpunkte haben, in denen sich
Gas sammeln könnte.
Falls die Flüssigkeit gesättigt ist, benötigt man ein möglichst langes senkrechtes Rohrstück unter dem Vorlaufbehälter, um die
Gefahr des Ausdampfens zu minimieren.
Beim Saugen aus einem tiefer liegenden Reservoir können aufgrund des Druckabfalls über die Saugleitung gelöste Gase teilweise ausgeschieden werden. Die Leitung sollte durchgehend
mindestens zehn Grad Steigung haben, damit sich kein Gas
sammelt.
Falls die Pumpe aus einem Sumpf saugt, dessen Zulauf oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels liegt, muss darauf geachtet werden,
dass durch die herabstürzende Flüssigkeit keine Gasblasen eingetragen und in die Pumpe gesaugt werden.
Der Flüssigkeitsspiegel im Vorlaufbehälter bzw. im Pumpensumpf sollte hoch genug sein, dass keine Wirbelzöpfe mit eingesaugt werden.
Bei Pumpen in Unterdrucksystemen sollten vakuumsichere
Dichtungen das Eindringen von Luft in die Saugleitung verhindern.
Die Druckleitung ist weniger kritisch als die Saugleitung. Allerdings kann auch hier der Durchmesser einen erheblichen Einfluss
Pumpenstillständen durch Motordefekte, Stromausfälle oder
„Not-Aus“ entstehen können. Übliche Lösungen zum Ausgleich der
auf die Lebenszykluskosten haben und sollte daher sorgfältig
Druckschwankungen sind Windkessel, Berstscheiben, Überdruck-
gewählt werden. Bei großen und verzweigten Rohrleitungssyste-
ventile sowie Wasserschlösser und Luft-Schnüffelventile.
men sind Vorkehrungen gegen Druckschläge wichtig, da diese ein
Bei der Aufstellung der Pumpe muss auf eine exakte Ausrichtung
erhebliches Schädigungspotenzial haben. Der Abschätzung des
zur Rohrleitung geachtet werden. Die Verbindungen sollten span-
Gefährdungspotenzials kommt hier vor dem Hintergrund
nungsfrei sein. Die Rohrleitung muss so gestaltet und befestigt
haftungsrechtlicher Fragen große Bedeutung zu. Der Herstel-
werden, dass sie sich bei Erwärmung ausdehnen kann, ohne un-
ler von Anlagen ist hier zunächst verantwortlich. Eine mögliche
zulässige Spannungen zu erzeugen (Hinweise finden sich z.B. in
Maßnahme ist die Verlängerung des Pumpenauslaufs mittels ei-
VDMA 24277).
nes Schwungrades, da Druckschläge insbesondere bei plötzlichen
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
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Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
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Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
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Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
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www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de
Wartung und Instandhaltung von Pumpen und
Pumpensystemen.
Einführung zur Wartung und Instandhaltung bei Pumpensystemen +
Wartung + Inspektion + Instandsetzung und Verbesserung + Instandhaltungsstrategien + Strategie der verbessernden Instandsetzung +
Kostenaspekte der Instandhaltung.
Einführung zur Wartung und Instandhaltung
von Pumpensystemen.
Die Pumpe tut gut, wenn sie pumpen tut. Um sie in einem funkti-
Maßnahmen der Instandhaltung
onsfähigen Zustand zu erhalten, bedarf es einiger technischer und
administrativer Maßnahmen. Es lohnt sich, die Instandhaltung des
Instandhaltung
Maschinenparks systematisch anzugehen und eine vorausschauende Instandhaltungsstrategie für das Unternehmen auszuarbeiten.
Bei der Planung neuer Anlagen sollte der Instandhaltungsaufwand
als wichtiger Kostenblock bereits im Vorfeld optimiert werden.
Hierzu sind die Anlagenkomponenten bereits im Angebotsstadium
entsprechend zu spezifizieren und die für die Instandsetzungsplanung notwendigen Daten zur Instandhaltbarkeit vom Hersteller/
Wartung:
Bewahrung des
Soll-Zustands.
Inspektion:
Feststellung und
Beurteilung des IstZustands.
Instandsetzung:
Wiederherstellung
des Soll-Zustands.
Verbesserung:
Beseitigung von
strukturellen
Schwachstellen.
Lieferanten abzufragen.
Während man unter Instandhaltung die Kombination aller
Maßnahmen versteht, beschreiben die Begriffe Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung an sich voneinander abzugrenzende Arbeitsvorgänge.
Wartung.
DIN 31051 definiert Wartung als „Maßnahmen zur Verzögerung
des Abbaus des vorhandenen Abnutzungsvorrats“. Der Praktiker
versteht darunter das regelmäßige Reinigen, Schmieren, Nachstellen, Prüfen von Flüssigkeitsständen und manchmal auch den
Austausch von Verschleißteilen. Darüber hinaus hat ein Hersteller
in der Betriebsanleitung Angaben zur Art und Umfang von Wartungsarbeiten zu machen. Weitere Maßnahmen leiten sich aus den
Ergebnissen der Inspektion ab.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Inspektion.
Unter Inspektion versteht man Maßnahmen zur Feststellung und
Referenzwerte sind dem Abnahmeprotokoll (vgl. ISO 9906) zu
Beurteilung des Ist-Zustandes der Pumpe. DIN 31051 schließt auch
entnehmen.
die Bestimmung der Ursachen der Abnutzung und das Ableiten der
notwendigen Konsequenzen für eine zukünftige Nutzung mit ein.
Geeignete Referenzwerte sind die
In DIN EN 13306 findet der Begriff Inspektion keinen Eingang. Hier
wird von Funktionsprüfung, Ausfallanalyse und Fehlerdiagnose
Hydraulische Leistung
gesprochen.
Temperatur
Schwingungen
Wichtig für die Beurteilung des Ist-Zustandes ist die Kenntnis
des Soll-Zustands. Dazu sollten nach Auslieferung bzw. nach einer
Die Werte für neue oder grundüberholte Pumpen sollten frühes-
erfolgreichen Grundüberholung Referenzwerte aufgenommen
tens nach einer Stunde Betriebszeit gemessen werden, da sich
werden. Vor dem Hintergrund von möglichen Personalwechseln
das Fett in den Lagern am Anfang noch setzt und sich die Tempera-
ist es sinnvoll diese systematisch zu dokumentieren. Die relevanten
turen erst einstellen müssen.
Messpunkte für Schwingungsmessung
Vertikal
Axia
Horizontal
Instandsetzung und Verbesserung.
Eine Instandsetzung ist eine Rückführung der Pumpe in den
DIN-Norm nicht mehr als Instandhaltung, auch wenn diese in
funktionsfähigen Zustand, also in die Fähigkeit zur Erfüllung der
vielen Firmen von den Instandhaltungsabteilungen ausgeführt
durch den Hersteller in der Bedienungsanleitung beschriebenen
werden. Solche „Modifikationen“ können eine Neubewertung der
bestimmungsgemäßen Verwendung. Werden bei diesem Vorgang
sicherheitstechnischen Aspekte erforderlich machen. Bei Eingrif-
Schwachstellen beseitigt, um die Funktionssicherheit zu erhöhen,
fen in Geräte/Maschinen erlischt, sobald die Sicherheit berührt
ist dies nach DIN 31051 eine Verbesserung. Diese zählt man zu
wird, die Konformität des Herstellers. Hier ist nach Abschluss der
den Instandhaltungsmaßnahmen, wenn dadurch die Funktion der
Arbeiten unter Umständen ein erneutes Konformitätsbewertungs-
Pumpe nicht verändert wird. Änderungen, die die Pumpe in die
verfahren notwendig.
Lage versetzen eine andere Funktion zu erfüllen, zum Beispiel die
Anpassung an ein anderes Fördergut als das, welches bei der Aus-
Das Thema Verbesserung während der Instandsetzung wird weiter
schreibung spezifiziert wurde, gelten in der Neufassung der
unten noch einmal ausführlicher besprochen.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Instandhaltungsstrategien.
Korrektive Instandhaltung
In der Vergangenheit wurden Anlagen dann repariert, wenn ein
solche auch nicht vermeiden, weil es trotz präventiver Maßnahmen
Defekt sichtbar geworden war. Ein solches Vorgehen nennt man
noch zu Ausfällen kommt. Besitzt der Betreiber ein Diagnosesystem,
schadensbedingte oder korrektive Instandhaltung bzw. Instandset-
kann sich die Instandsetzungszeit verkürzen, weil die Fehlersuche
zung. Dem Vorteil, dass die Lebensdauer der Bauteile dabei bis zum
entfällt.
Ende ausgenutzt wird, stehen zum Teil ganz gravierende Nachteile
gegenüber. So kann mitunter der Ausfall eines an sich preisgünsti-
Vorausbestimmte Instandhaltung
gen Bauteils erhebliche Folgeschäden an anderen Anlagenteilen
Die intervallabhängige, vorausbestimmte Instandhaltung ver-
hervorrufen. Dazu kommt der Produktionsausfall, der bei dieser
sucht, durch den Austausch der Verschleißteile in vorgegebenen
Instandsetzung nicht planbar ist, und der durch den Zeitverlust bis
Zeitabständen dem Verschleiß zuvorzukommen. Erschwert wird
zum Eintreffen von Service-Personal, Werkzeug und Ersatzteilen
diese Strategie durch die starke Varianz der Lebensdauer von vielen
deutlich höher ausfallen kann als bei einer geplanten Instandhal-
Bauteilen. Der Auswahl der Wartungsintervalle kommt daher eine
tungsmaßnahme.
wesentliche Bedeutung bei der Gesamtkostenbetrachtung dieser
Oft führen verschlissene Bauteile, schon lange bevor sie einen To-
Reparaturen und damit einhergehendem geplanten Stillstand. Zu
talausfall hervorrufen, zu Effizienzverlusten und Produktbeein-
lange Intervalle erhöhen das Risiko des ungeplanten Produktions-
trächtigungen. Wird dies nicht entdeckt, können dadurch Kosten
ausfalls und aller Folgekosten, die mit einer korrektiven Instandset-
Strategie zu. Zu kurze Intervalle erhöhen die Kosten durch häufige
entstehen, die den Wert des Bauteils und die Austauschkosten bei
zung einhergehen. Die intervallabhängige Instandhaltung ist an
Weitem übersteigen.
den Stellen sinnvoll, wo kein Diagnosesystem verfügbar oder wirtschaftlich einsetzbar ist und wo ein redundanter Einbau der Pum-
In Anlagen, die nicht so kostenkritisch sind, oder bei Pumpen,
pen zu teuer ist oder trotz Redundanz teure Folgeschäden
die ohnehin redundant vorhanden sind, wird dennoch manchmal
entstehen könnten.
noch die korrektive Instandhaltung gewählt. Oft lässt sich eine
Strategien der Instandhaltung
(DIN EN 13306)
EnergieEffizienz lohnt sich
Korrektive Instandhaltung
Präventive Instandhaltung
Vorausbestimmte Instandhaltung
Zustandsorientierte Instandhaltung
4
Zustandorientierte Instandhaltung
Leitzentrale zur Anlagenüberwachung und -steuerung
Die zustandsorientierte Instandhaltung ist eine präventive Strategie, bei der die Wartungs- bzw. Instandsetzungsintervalle
nicht starr vorgegeben sind, sondern sich der Zeitpunkt für eine
Instandhaltungsmaßnahme aus der aufgrund von Zustands- und
Betriebsgrößen errechneten Wahrscheinlichkeit für ein baldiges
Überschreiten der Abnutzungsgrenze ergibt. Es soll so durch Beobachten der Maschine vorausgesagt werden, wann sich die Lebensdauer eines Verschleißteils dem Ende zuneigt und es sollen
Defekte erkannt werden, bevor diese teure Folgeschäden hervorrufen können. Die erforderliche Überwachung der Messgrößen
kann in dem Bauteil angepassten Intervallen, kontinuierlich oder
auf Anforderung erfolgen.
Bei der zustandsorientierten Instandhaltung ergänzen sich die spezifischen Vorteile der beiden zuvor genannten Strategien, nämlich
die volle Ausnutzung der Komponentenlebensdauer mit den geringeren Instandsetzungs- und Folgekosten der geplanten Instandhaltung. Für die Gesamtkostenoptimierung müssen diese Einsparungen den Kosten für die Überwachung gegenübergestellt werden.
Strategie der verbessernden
Instandsetzung.
Früher war das höchste Ziel einer Instandsetzung, die Pumpe
Ursachen des Verschleißes gründlich analysiert werden. Hierbei
nach Möglichkeit wieder in den Originalzustand zurückzubringen.
hilft eine bereits vorhandene kontinuierliche Überwachungs- und
Dazu wurde einfach das Teil, welches versagt hatte, ausgetauscht
Diagnosestrategie, sei es durch Online-Diagnose oder intermittie-
und die Pumpe so schnell wie möglich wieder in Betrieb genom-
rende Messungen und Referenzwerte. Sollte es nicht möglich sein,
men. Diese Vorgehensweise übersieht, dass das Versagen des Bau-
die Schwachstelle sofort zu diagnostizieren und zu verbessern,
teils möglicherweise bedeutet, dass das Pumpendesign noch nicht
muss die Pumpe möglicherweise repariert und provisorisch solan-
optimal für den spezifischen Anwendungsfall ist. In solch einem
ge weiterbetrieben werden, bis eine Umrüstung möglich ist.
Fall ist die Instandsetzung eine gute Gelegenheit für eine qualitative Aufwertung der betroffenden Baugruppe.
Wenn eine solche Strategie in ein bestehendes Qualitätsmanagementsystem eingebunden wird und entsprechend geschultes Per-
Einige fortschrittliche Unternehmen haben es sich daher zur Strate-
sonal und Werkzeug vorhanden ist, verursacht sie zunächst kaum
gie gemacht, solche Auszeiten systematisch für eine Erhöhung der
zusätzliche Kosten. Die jeweiligen Verbesserungsmaßnahmen
Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu nutzen. Dafür müssen die
müssen im Einzelfall betrachtet werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Kostenaspekte der Instandhaltung.
Ccip
Cqu
Cd
Cenv
Insbesondere im 24-Stundenbetrieb oder bei korrektiver Instandhaltung verursacht eine Instandhaltungsmaßnahme auch noch
Produktionsausfallkosten. Hierbei sind nicht nur die Reparatur-
Cin
Co
Cs
dauer (MTTR) anzusetzen sondern fallspezifisch auch noch Abkühlund Entleerungszeiten und für ungeplante Instandsetzungsmaßnahmen Wartezeiten bis zum Eintreffen von Personal, Werkzeug
Cic
Cm
und Ersatzteilen.
Ce
Kosten für die regelmäßige Inspektion ohne Betriebsunterbrechung können den Bedienungskosten zugeschlagen werden. Bei
der zustandsbezogenen Instandhaltung können Kosten für ein
Die Wahl der Instandhaltungsstrategie hat unmittelbar Einfluss
Überwachungssystem hinzukommen. Etwas schwieriger zu quan-
auf die Instandhaltungskosten. Hieraus resultieren die Anzahl
tifizieren, aber ebenfalls kostenrelevant, ist die Frage, ob der Liefe-
der Instandhaltungsvorgänge über die Lebenszeit der Anlage und
rant Beratung, Schulungsdienstleistungen und insbesondere
der Umfang der durchgeführten Maßnahmen. Für die Kosten des
einen Teleservice anbietet. Dies muss entweder über den Einfluss
ein-zelnen Vorgangs entscheidend sind die Kosten der Ersatzteile
auf die Reparaturkosten berücksichtigt werden oder jenseits der
und der Personalaufwand. Letzterer hängt von der notwendigen
Lebenszykluskosten als qualitativer Punkt in die Entscheidung
Qualifikation des Personals ab und der Frage ob internes oder exter-
mit einfließen.
nes Personal die Instandhaltung durchführt sowie von der durchschnittlichen Reparaturdauer. Diese ist aus Erfahrungswerten zu
Einen systematischen Ansatz zur Kostenerfassung bietet die
ermitteln oder als statistische Angabe vom Hersteller des Ersatzteils
VDI-Richtlinie 2885 „Einheitliche Daten für die Instandhaltungs-
abzufragen (MTTR = Mean Time To Repair). Gegebenenfalls kom-
planung und Ermittlung von Instandhaltungskosten“. Diese bein-
men noch Kosten für Soft- und Firmware-Aktualisierung hinzu und
haltet auch Tabellen, mit denen die erforderlichen Daten beim
für die entsprechende Schulung des Personals. Anteilig sollten den
Systemlieferanten abgefragt werden können. Im VDMA-Einheits-
Instandhaltungskosten auch noch Kosten für die Vorhaltung von
blatt 34160 „Prognosemodell für die Lebenszykluskosten von
Ersatzteilen und Instrumenten zugeschlagen werden, wobei die
Maschinen und Anlagen“ befinden sich ebenfalls Hinweise auf
Grundausstattung meist schon bei den Investitionskosten berück-
relevante Kostenelemente.
sichtigt wird.
EnergieEffizienz lohnt sich
6
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
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Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
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Technologie (BMWi).
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Überwachung und
Diagnose von Pumpen
und Pumpensystemen.
Einführung zur Überwachung und Diagnose von Pumpensystemen + Messgrößen und Auswertungsverfahren +
Aufbau eines Online-Diagnosesystems.
Einführung zur Überwachung und Diagnose
von Pumpensystemen.
Der Ausfall einer Prozesspumpe führt unmittelbar zu Produktions-
ren und Datenverarbeitungssystemen wachsen die Möglichkeiten,
ausfall und verursacht damit Kosten, die den eigentlichen Schaden
verschiedene Betriebsgrößen umfassend zu beobachten. Bei
an der Pumpe um ein Vielfaches übersteigen. Viele Betriebsverant-
einer ausreichenden Datenbasis ist über die reine Überwachung
wortliche sind daher bemüht, sich anbahnende Schäden im Vorfeld
des ordnungsgemäßen Betriebs auch eine Diagnose von Fehlern
zu erkennen und die Verschleißteile im Rahmen einer geplanten
und Schadensursachen möglich. Hierdurch lässt sich nicht nur die
Instandsetzung auszutauschen. Auf diese Art und Weise kann nicht
Instandsetzung besser vorbereiten und so die Anlagenstillstands-
nur die Instandhaltung auf einen Zeitpunkt außerhalb der Haupt-
zeit verkürzen. Es können auch vom Hersteller als unzulässig
produktionsschicht terminiert und dadurch der Produktionsausfall
bezeichnete Betriebsbedingungen erkannt und korrigiert werden
minimiert werden; es werden unter Umständen auch teure Folge-
und dadurch die Lebensdauer der Komponenten verlängert wer-
schäden an anderen Anlagenteilen oder an der betroffenen Pumpe
den. Ein frühzeitiges Erkennen von Verschleiß trägt auch dazu bei,
vermieden.
dass schleichende Wirkungsgradverluste bemerkt werden, die
Eine solche vorbeugende, zustandsorientierte Instandhaltung setzt
durch eine höhere Drehzahl ausgliche. Durch ein Vorziehen der
eine systematische Überwachung der Pumpe voraus – entweder in
Instandsetzung können dann mitunter beträchtliche Energie-
ausreichend kurzen Zeitabständen oder sogar kontinuierlich. Mit
kosten eingespart werden.
sonst unerkannt blieben, weil die Pumpenregelung sie einfach
der ständigen Verbesserung und den sinkenden Preisen von Senso-
Varianten der Zustandsüberwachung mit unterschiedlicher
Automatisierungstiefe
Zustandsüberwachung
Low-cost Monitoring
Ziel:
„Betreiber soll
beim nächsten
Stillstand
Aggregat
ansehen“.
als Sensor
für gesamte
Brandbreite der
Schadensfälle.
EnergieEffizienz lohnt sich
Mobile Überwachung
mit Datenlogger
weniger
Automatisierungsschnittstellen
als online;
aber höherer
Personalaufwand.
OnlineZustandserfassung
erlaubt
Rekonstruktion
und genaue
Zuordnung des
Schadens.
mehrere
Sensoren
erfassen Zustand
dauerhaft.
2
Der für Überwachung und Diagnose betriebene Aufwand bewegt
Ccip
Cqu
Cd
Cin
Co
Cs
Cenv
sich fließend zwischen einfachen, kostengünstigen Lösungen
und leistungsfähigen Feldbusabbildungen. Abgesehen von zwingenden Sicherheits- und Umweltschutzgründen ist es vor allem
eine Frage der wirtschaftlichen Optimierung, welcher Aufwand
sich lohnt. Ein zuverlässiges Überwachungssystem kann in Verbindung mit vorbeugender Instandhaltung die Installation redundan-
Cic
ter Reservepumpen überflüssig machen und dadurch Kosten
einsparen.
Cm
Ce
Prinzipiell gibt es, neben der Möglichkeit gar nichts zu tun, drei methodische Ansätze, die sich jeweils aber auch untereinander kombi-
Die Wahl des Überwachungssystems hat Auswirkung auf die In-
nieren lassen und je nach Aufwand auch ineinander übergehen:
vestitions- und Installationskosten (Cic, Cin), den Bedienungssaufwand (Co), die Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten (Cm,
Einfache Überwachung („Low-cost Monitoring“) mit nur einem
Cs) und mitunter auch die Energie-, Umweltschutz- und Qualitäts-
Sensor für die gesamte Bandbreite der Schadensfälle. Oft ist dies
kosten (Ce, Cenv, Cqu).
ein Schwingungssensor. Preiswerte Ausführungen gibt es zum
Die Investitions- und Installationskosten hängen stark davon ab,
Beispiel als Klopfsensor im Automobilbau. Das Ziel ist nicht eine
ob bereits ein kompatibles Prozessleitsystem und entsprechende
Online-Diagnose, sondern nur eine Meldung, dass der Betreiber
Datenkabel installiert sind und ob in den Schaltschränken noch
sich beim nächsten Stillstand das Aggregat ansehen soll.
ausreichend Platz vorhanden ist. Hinzu kommen Kosten für Senso-
Mobile Überwachung mit Datenlogger. Dazu sind an der Pumpe
ren und für die Automatisierung, also die entsprechenden Modifi-
bereits Anschlussstellen für das Messgerät oder sogar Sensoren
kationen im Prozessleitsystem oder eine eigenständige Software.
installiert. Die Betriebsdaten werden in der Maschine und deren
Der Bedienaufwand ist im Verhältnis zu der zuvor praktizierten,
Funktion angepassten Inspektionsintervallen diskontinuierlich
möglicherweise manuellen Überwachung zu sehen und beinhal-
erfasst. Eine Diagnose kann direkt vor Ort oder nach Auswer-
tet das Auslesen der Daten vor Ort bzw. Kapazitäten in der zentra-
tung der Daten anhand der historischen Trends und Vergleichs-
len Schaltwarte. Hinzu kommen laufende Kosten für die Pflege der
werte an einem zentralen Computer erfolgen. Diese Art der
Software, z. B. eventuelle Anpassungen oder Updates.
Überwachung bedeutet gegenüber einer Online-Überwachung
Hinweise zu den Instandhaltungs- und Produktionsausfallkosten
einen geringeren Automatisierungs aber dafür höheren Perso-
finden sich in den Infoblättern „Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verfüg-
nalaufwand.
barkeit“ sowie „Wartung und Instandhaltung“. Die Reduzierung
Kontinuierliche Online-Zustandserfassung und –diagnose. Hier
der Energie-, Umweltschutz- und Qualitätskosten gegenüber dem
erfassen mehrere Sensoren dauerhaft den Betriebszustand. Ziel
nicht-überwachten Betrieb hängt davon ab, wie früh ineffiziente
ist neben der Überwachung eine genaue Rekonstruktion und
oder schädliche Betriebsweisen erkannt werden können.
Zuordnung des Schadens.
Die Maschinenüberwachung ist in DIN 13306 beschrieben. Mit der
Zustandsdiagnose beschäftigt sich die VDI-Norm 2888.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Messgrößen und Auswertungsverfahren.
Zur Kontrolle des Pumpenzustands bieten sich je nach zu über-
Im Folgenden werden einige Beispiele für Überwachungs- und
wachendem Bauteil eine Vielzahl von Messgrößen an. Teilweise
Diagnosemöglichkeiten aufgeführt:
sind dies Größen, die ohnehin für die Prozesssteuerung erfasst
werden. Eine präzisere Diagnose erreicht man aber mit Sensoren,
Kreiselpumpen:
die gezielt für die Überwachung installiert werden. Die erfassten
Messung des Körperschalls gibt Hinweise auf den
Größen können statisch oder dynamisch sein.
Verschleiß der Gleitringdichtungen.
Verdrängerpumpen:
Statische Messgrößen sind z. B.
Messung des Körperschalls zur Diagnose von Leckage in
Förderstrom
den Ventilen
Förderhöhe
Antriebe:
Leistungsaufnahme
Messung des Magnetfeldes zur Überwachung der Wicklungs-
Temperaturen
qualität von Motoren
Je nach Auswertungsmethode unterscheidet man bei der Zustands-
Dynamische Messgrößen sind z. B.
Schwankungen in der Leistungsaufnahme
diagnose funktionale, wissensbasierte und modellbasierte Verfah-
Wellenschwingungen
ren. Die Auswertung von Prozessgrößen wie Volumenstrom, Druck,
Flüssigkeitsschall
Temperatur setzt Erfahrungen mit der Anlage oder ein gutes theoretisches Verständnis des Prozesses voraus. Aus Erfahrungswerten
Körperschall
und historischen Trends können Muster erkannt und den Fehlerursachen zugeordnet werden. Über thermodynamische Prozessmodelle kann der funktionale Zusammenhang der Prozessgrößen
in den verschiedenen Betriebspunkten errechnet und theoretische
Sollwerte mit den realen Istwerten verglichen werden.
Verfahren zur Analyse von Fehlerzuständen
Zustandsüberwachung
Funktionale
Verfahren
• Signalanalyse
• Grenzwertvergleich
• Statistische Verfahren
Wissensbasierte
Verfahren
• Erfahrungswissen
• Regelbasiert
• Mustererkennung
EnergieEffizienz lohnt sich
Modellbasierte
Verfahren
• Analytische Modelle
• Petri-Netze
4
Ein typisches Verfahren zur Zustandsüberwachung, welches sich
Die Schadensmuster sind abhängig von der Schadensart, der
meist nicht auf den Prozess sondern auf die Maschine selbst bezieht,
Belastung und der Drehzahl. Eine einfache Grenzwertüberschrei-
ist die Schwingungsüberwachung. Schwingungen können als
tung reicht nicht für eine sichere Diagnose aus. Das Muster muss
Schallwellen an festen Bauteilen und im Fördergut gemessen wer-
mit Referenzschadensspektren verglichen werden.
den. Den über die Luft übertragenen Schall nutzt jeder Maschinenbetreiber genauso wie jeder Autofahrer instinktiv als „manuelle“
Es wird deutlich, dass ein treffsicheres Online-Diagnosesystem
Methode der Zustandsüberwachung. Es können aber auch Relativ-
eine recht komplexe Aufgabe ist, die einen hohen Datenerfassungs-
bewegungen zwischen rotierenden und feststehenden Bauteilen
und Verarbeitungsaufwand bedeutet. Auf der anderen Seite kön-
oder Absolutschwingungen der rotierenden Bauteile gemessen
nen die dadurch vermeidbaren Schadenskosten in großen Anlagen
werden.
auch hohe Investitionen rechtfertigen. Der Investitionsaufwand
Die Auswertungsmöglichkeiten von Schwingungen sind mannig-
verringert sich, wenn die Diagnose gut in das Prozessleitsystem
faltig. Sie umfassen statistische Kennwerte ebenso wie Methoden
integriert ist.
der Signalanalyse (Fourier-Transformation) und die Mustererkennung mit künstlichen neuronalen Netzen. Den verschiedenen
Bauteilen können Frequenzen zugeordnet werden, deren Amplituden Hinweise auf die genauen Ort von Defekten geben. Zur Veranschaulichung werden hier einige Beispiele für eine Kreiselpumpe
genannt:
Stärkere Amplituden bei Drehfrequenz der Pumpe geben Hinweise auf Auswuchtprobleme.
Die zweifache Drehfrequenz steht für Kupplungsprobleme.
Die Schaufelfrequenz (Drehfrequenz multipliziert mit Anzahl
der Schaufeln) gibt Hinweise auf den Verschleiß der Schaufeln.
Bei Pumpen mit mehreren Rotoren sind auch die Vielfachen der
Schaufelfrequenz interessant.
Die Zahneingriffsfrequenz des Getriebes informiert über den
Verschleiß der Zahnräder.
EnergieEffizienz lohnt sich
5
Aufbau eines Online-Diagnosesystems.
Große Überwachungssysteme sind normalerweise wie bei Prozess-
die Gesamtanlage und wird durch Alarme auf Störsituationen
leitsystemen üblich modular und hierarchisch aufgebaut. Auf der
hingewiesen. Bei Bedarf kann er sich dann hierarchisch über zu-
untersten Ebene befinden sich die Sensoren zur kontinuierlichen
sammenfassende Kenngrößen bis zu den einzelnen Messgrößen
Überwachung der relevanten Größen, z. B. Temperatur, Druck,
hinunterarbeiten, um Details über die Störung zu erfahren. Zur Be-
Schwingungen, akustische Signale. In dezentralen Modulen wer-
wertung der Messgrößen stehen historische Daten aus der Anlage
den aus den erfassten Daten Kennwerte errechnet. Diese werden
zur Verfügung. Je nach Überwachungssystem kann es auch noch
dann über ein Datennetzwerk an den zentralen Rechner in der
eine Ferndiagnose-Schnittstelle zum Systemlieferanten geben.
Warte geschickt. Dort hat der Operator einen Überblick über
Aufbau eines modularen Online-Diagnosesystems
Auswerten
• Diagnose
• Beurteilung
• Erkennen ungünstiger
Betriebszustände
• Instandsetzungsplanung
• Anpassung der Fahrweise
TCP/IP
Systemlieferant
Operator
Darstellen
•
•
•
•
Visualisieren
Analysieren
Protokollieren
Alarme
Berechnen
•
•
•
•
Schwinngungskenngrößen
Gleitringdichtungszustand
Skalierung
Signalkonditionierung
Ethernet
Messen
• Digitale Signale
• Analoge Signale
• Triggersignale
EnergieEffizienz lohnt sich
6
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
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Messtechnik bei
Pumpen und
Pumpensystemen.
Druckmessung + Durchflussmessung + Thermometer
und Stethoskop + Schwingungsmessung.
Druckmessung.
Für den Betreiber bleibt das Manometer das preiswerteste als auch
Druckmessung
das wichtigste Instrument um den Betrieb der Pumpe zu überwachen. Leider fehlt in vielen Betrieben das Manometer oder es zeigt
keinen Druck mehr an. Wenn es fehlt, dann sollte die Installation
als erste Maßnahme durchgeführt werden, um überhaupt einen
Hinweis über den Pumpenbetrieb zu erhalten. Die Druckmessung
zur Feststellung des Betriebspunktes der Pumpe sollte in der Nähe
von Druck- und Saugflansch der Pumpe an der Rohrleitung angebracht werden. Ist ein Vorlaufbehälter direkt neben der Pumpe aufgestellt und der Wasserstand ablesbar, kann das Manometer auf
der Saugseite der Pumpe entfallen. Für die elektronische Übertragung der Druckmesswerte werden Drucksensoren in der Rohrleitung installiert. Sogenannte elektronische Druckgeber sind auch
für die Drehzahlregelung erforderlich.
Durchflussmessung.
Die Durchflussmessung übernimmt gleichzeitig mehrere Aufga-
Die Messgeräte werden in der Rohrleitung installiert. Für die elek-
ben:
tronische Übertragung der Signale sind die Geräte mit elektronischen Gebern ausgestattet.
Sie stellt fest, das überhaupt eine Flüssigkeit in der Rohrleitung
Es gibt eine Vielfalt von Messgeräten, die sich in der Messmethode
strömt.
unterscheiden. Die Entscheidung, welches Messgerät verwendet
Sie klärt den Betriebspunkt der Pumpe.
werden kann, ist abhängig von den Eigenschaften des Messstoffs
Die Kurven zur Pumpen- und Anlagencharakteristik können
und von den Einsatzbedingungen. In der Lebensmittelindustrie
erstellt werden
und Pharmaindustrie sind die Anforderungen an die Messgenauig-
Sie kann Istwerte, zum Beispiel für die Drehzahlregelung
keit natürlich viel höher als zum Beispiel in Klärwerken.
aufnehmen.
Durchflussmessung kann den Trockenlauf verhindern.
EnergieEffizienz lohnt sich
2
Für die Volumenmessung stehen folgende Messgeräte zur Verfü-
Magnetisch-induktives
gung.
Durchflussmessgerät
Ovalradzähler
klassische Wasseruhr
Turbinenradzähler
Flüssiggas
Wirbelzähler
Gas, Dampf und Flüssigkeiten
Messblende
Gas, Dampf und Flüssigkeiten
Ultraschall
Gas und Flüssigkeit
Schwebekörper
Luft und Flüssigkeit
Coriolis Messrohr
Massen Gas und Flüssigkeit
Magnetisch Induktiv
Gas und Flüssigkeit
Messkanal
Flüssigkeiten
Alle Messgeräte können für die Messung des Förderstroms einer
etwa zwischen 5 und 10 Watt. Ein MID in der Standardausführung
Pumpe verwendet werden.
ist in der Nennweite 100 bereits für 1.200 ,- Euro erhältlich. (DN 250:
Für die Durchflussmessung an Pumpen sind Toleranzen unter 1%
ca. 2.000,- Euro)
auf jeden Fall annehmbar. Diese Toleranz wird von allen Geräten
Bei den mechanischen Messgeräten entsteht ein Druckverlust, der
eingehalten. Ultraschall und Magnetisch-induktive Durchflussmes-
im Mittel bei 0,3 bar liegt und mit steigender Zähflüssigkeit gegen-
sung (MID) benötigen eine beruhigte Strömung, das heißt in Abhän-
über Wasser steigt. Bei Messblenden ist der Druckverlust höher.
gigkeit vom Durchmesser müssen vor und hinter dem Messgerät
Für die gelegentliche Messung an unterschiedlichen Orten können
gerade Rohrstücke verwendet werden. Bei MID ist eine elektrische
tragbare Ultraschallgeräte verwendet werden, die sich besonders
Leitfähigkeit des Messstoffs erforderlich. Sind die Betriebskosten
für Betriebe eignen, bei der eine ständige Überwachung des Durch-
das entscheidende Kriterium für die Auswahl sprechen viele Argu-
satzes für die Produktion nicht erforderlich ist (zum Beispiel bei
mente für die MID. Die Investitionskosten sind im Vergleich zu den
Kühlwasser).
anderen Messmethoden gering und die Leistungsaufnahme liegt in
Thermometer und Stethoskop.
Für die Temperaturmessung bieten die Zulieferer für Industriezubehör preiswerte Infrarot-Handgeräte an. Für die ständige Überwachung der Lagertemperatur oder der Temperatur des Fördermediums sind jedoch elektronische Sensoren an den entsprechenden
Messstellen anzubringen. Lagergeräusche können mit dem Stethoskop erkannt werden.
EnergieEffizienz lohnt sich
3
Schwingungsmessung.
Der Fachmann hört es, erkennt den Unterschied zu anderen oder
Für die stationäre, ständige Überwachung können Sensoren an
neuen Pumpen. Früher wurde zur Bestätigung allenfalls ein fünf
den Messstellen der Maschine angebracht werden. Sind die Werte
Mark Stück senkrecht auf die Maschine gestellt. Fiel es um, waren
kritisch kann eine Frequenzanalyse weiteren Aufschluss über die
die Schwingungswerte zu hoch. Den geräuschempfindlichen Pum-
Störung geben. Eine Frequenzanalyse ist mit den oben beschriebe-
penschlosser im Betrieb gibt es leider kaum noch, auch das fünf
nen einfachen Handgeräten jedoch nicht mehr möglich. Mit einer
Mark Stück ist inzwischen selten geworden.
Frequenzanalyse kann dann eine Diagnose zur Störung erstellt wer-
Zur Messung sind heute kleine Handgeräte zur Schwingungsmes-
den. Mit den komplexen Geräten, die Schwingungen in einem Fre-
sung erhältlich, die einen Effektivwert anzeigen können. Schwin-
quenzspektrum darstellen, können oft auch Schallanalysen erstellt
gungswerte unter 0,7 mm/s sind unbedenklich. Der Preis liegt in
werden. Der Preis für diese Schwingungsmessgeräte mit Frequenz-
etwa bei 700-900 Euro.
analyse liegt bei 4.000,- Euro.
Mit der Frequenzanalyse kann die Störung genau erkannt werden.
Die Geräte erlauben auch eine Messung des Lagerzustandswertes.
Die Diagnose der Spitzenwerte unterscheidet hier zwischen mecha-
Bei einer Überlastung des Lagers, z. B. durch Ausrichtungsfehler,
nischer Unwucht, Ausrichtung der Antriebswelle und zieht bei
unzureichender Schmierung oder zerstörter Laufflächen werden
500 Hz den Rückschluss auf hydraulische Anregungen (zum Bei-
Geräusche und Schwingungen verstärkt angeregt. Beim Lagerzu-
spiel auf Kavitation). Die ständige Überwachung der Schwingung
standswert wird die Beschleunigung gemessen und in der Einheit
„g“ (Erdbeschleunigung) angegeben. Werte unter 1,2 g sind noch
annehmbar.
wird sich bis auf Ausnahmen im Bereich Pharma/ Chemie beschränken, bei denen sehr teure Pumpen im Einsatz sind und Ersatzpumpen nicht im Investitionsplan aufgenommen werden.
Für die Beurteilung mechanischer Schwingungen an Maschinen
gibt es die DIN ISO 10816
„Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messung an
nicht-rotierenden Teilen“, Teil 1 „Allgemeine Anleitungen“, Teil 5
„Maschinensätze in Wasserkraft und Pumpenanlagen“, oder die
VDI Richtlinie 2056.
EnergieEffizienz lohnt sich
4
Kampagne „Energieeffiziente
Systeme in Industrie und Gewerbe“.
Die Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“ wird von
der dena in Zusammenarbeit mit den Fachverbänden Pumpen + Systeme sowie
Kompressoren, Druckluft- und Vakuumtechnik des VDMA (Verband Deutscher
Maschinen- und Anlagenbau e.V.) umgesetzt. Unterstützt wird die Kampagne
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) sowie von
Zahlreichen Partnerunternehmen und -institutionen.
Partner
Sulzer Pumps
Die Kampagne ist Bestandteil der Initiative EnergieEffizienz. Die Initiative EnergieEffizienz wird getragen von der dena sowie den Unternehmen der Energiewirtschaft EnBW Energie Baden- Württemberg AG, E.ON AG, RWE AG und Vattenfall
Europe AG. Sie wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi).
Eine Initiative von
Impressum:
Informationsblätter zu
Pumpensystemen
Sind Sie an der Kampagne „Energieeffiziente Systeme in Industrie und Gewerbe“
interessiert? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf.
Die Kampagnenleitung erreichen Sie zum Beispiel per E-Mail unter:
[email protected]
Oder Sie füllen auf der Internetseite www.system-energieeffizienz.de
das Formular unter der Rubrik „Kontakt“ aus.
Herausgeber:
Deutsche Energie-Agentur GmbH
(dena)
Energieeffizienz im
Elektrizitätsbereich
Chausseestraße 128a, 10115 Berlin
Kontakt:
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 600
Tel: +49 (0)30 72 61 65- 699
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.system-energieeffizienz.de
www.dena.de

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