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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Energieverbrauchs einer Förderpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anlage zum Fördern von Wasser aus mindestens einem Brunnen in ein Leitungsnetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Verfahren und Anlagen der eingangs genannten Art werden vor allem in Wasserwerken eingesetzt, um aus Trinkwasserbrunnen Trinkwasser in ein Wasserleitungsnetz zu fördern, können jedoch auch in Industrieanlagen eingesetzt werden, die größere Frischwassermengen benötigen.
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Bei den Förderpumpen handelt es sich zumeist um elektrische Kreiselpumpen, die als Tauchpumpen innerhalb des Brunnens eingesetzt werden. Die Förderpumpen liegen entweder direkt am Netz oder sind mit einem Frequenzumrichter ausgestattet, mit dem die Antriebsdrehzahl der Förderpumpe entsprechend einer Soll-Durchflussmenge geregelt wird.
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Während bei direkt am Netz liegenden Förderpumpen der Energieverbrauch überhaupt nicht beeinflussbar ist, stellt er bei Förderpumpen mit Frequenzumrichter zumeist nur einen zweitrangigen Faktor bei der Steuerung oder Regelung der Pumpen dar.
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Da jedoch Förderpumpen zum Fördern von Wasser aus Brunnen einen großen Energiebedarf besitzen, bietet eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch einen verbrauchsoptimierten Betreib der Förderpumpen ein erhebliches Energieeinsparungspotenzial.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Förderpumpe möglichst nahe bei ihrem energetisch günstigsten Betriebspunkt arbeitet.
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Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 und bei der erfindungsgemäßen Anlage durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 9 gelöst. Danach wird die Ist-Durchflussmenge der Förderpumpe mittels einer Steuer- oder Regeleinheit durch Veränderung der Antriebsdrehzahl an eine Soll-Durchflussmenge herangeführt, wobei diese letztere der Durchflussmenge im berechneten Schnittpunkt einer Pumpenwirkungsgradkennlinie mit hohem Wirkungsgrad und einer Anlagenkennlinie entspricht, die aus der geodätischen Höhe, der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen und Leitungsverlusten im Leitungsnetz ermittelt wird.
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Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, für jede Förderpumpe einer Brunnenanlage unabhängig von den anderen Förderpumpen der Brunnenanlage den zu einem gegebenen Zeitpunkt energetisch günstigsten Betriebspunkt zu ermitteln und diesen Betriebspunkt dann durch eine Veränderung der Antriebsdrehzahl der jeweiligen Förderpumpe einzustellen.
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Dazu ist es lediglich erforderlich, für jede Förderpumpe die Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen sowie den Druck und die Förder- oder Durchflussmenge am Ausgang der Pumpe zu ermitteln, wobei die letztere zur Steuerung bzw. Regelung der Förderpumpe und zur Verifizierung der Berechnung benötigt wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann auch in komplexeren Brunnenanlagen jede Förderpumpe einzeln betrachtet und für jede Förderpumpe der Energieverbrauch separat minimiert werden, indem während des Betriebs stets der energetisch günstigste Betriebspunkt eingestellt wird.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Förderpumpe um eine mit einem Frequenzumrichter ausgestattete elektrische Förderpumpe, deren Antriebsdrehzahl mittels des Frequenzumrichters gesteuert oder geregelt wird, indem die Frequenz des an der Förderpumpe anliegenden Wechselstroms und damit die Antriebsdrehzahl der Pumpe verändert oder eingestellt wird. Dabei wird die Soll-Durchflussmenge des energetisch günstigsten Betriebspunkts an die Steuer- oder Regeleinheit übertragen, welche die Soll-Durchflussmenge mit einer gemessenen Ist-Durchflussmenge vergleicht und aus der Differenz der beiden Durchflussmengen einen Stellwert für den Frequenzumrichter generiert. Daraufhin verändert der Frequenzumrichter die Frequenz des Stroms so lange, bis die Ist-Durchflussmenge der Soll-Durchflussmenge entspricht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Pumpenwirkungsgradkennlinie und die Anlagenkennlinie in einem zur Kennzeichnung von Förderpumpen in Brunnenanlagen üblichen Diagramm oder Koordinatensystem dargestellt, in dem auf der Abszisse die Förder- oder Durchflussmenge der Förderpumpe und auf der Ordinate die Förderhöhe der Förderpumpe aufgetragen sind, wobei die erstere zweckmäßig in m3/h und die letztere zweckmäßig in mWS (Meter Wassersäule) angegeben wird.
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Die die nachfolgend auch vereinfacht als Wirkungsgradkennlinie bezeichnete Pumpenwirkungsgradkennlinie ist eine ”statische” Kennlinie, die in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem einen bestimmten Wirkungsgrad der Förderpumpe in Abhängigkeit von der Förder- oder Durchflussmenge und der Förderhöhe der Pumpe anzeigt. Bei der erfindungsgemäß verwendeten Pumpenwirkungsgradkennlinie handelt es sich um eine Wirkungsgradkennlinie für einen hohen Wirkungsgrad, am besten die Wirkungsgradkennlinie für den maximalen Wirkungsgrad der Förderpumpe, der bei Förderpumpen für Brunnenanlagen, wie Kreiselpumpen, gewöhnlich im Bereich von etwa 70 bis 80 Prozent liegt. Bei Verwendung dieser Wirkungsgradkennlinie kann der energetisch günstigste Betriebspunkt eingestellt werden. Wenn eine Wirkungsgradkennlinie verwendet wird, die in einem Toleranzbereich von weniger als etwa 5 Prozent von der Wirkungsgradkennlinie für den maximalen Wirkungsgrad gelegen ist, ist zumeist auch noch eine Energieeinsparung möglich, jedoch ist die Energieeinsparung dann nicht mehr optimal.
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Pumpenwirkungsgradkennlinien sind in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem gekrümmte, mit zunehmender Förder- oder Durchflussmenge und zunehmender Förderhöhe ansteigende Kurven, deren Steigung mit zunehmender Förder- oder Durchflussmenge und zunehmender Förderhöhe größer wird. Beiderseits von der bevorzugten Wirkungsgradkennlinie für den maximalen Wirkungsgrad finden sich jeweils Paare von Wirkungsgradkennlinien, bei denen die Pumpe mit gleichem aber geringerem Wirkungsgrad arbeitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt durch eine geeignete Software implementiert, auf. die von der Steuer- oder Regeleinheit zugegriffen wird. Da Wirkungsgradkennlinien von Förderpumpen von den Herstellern der Förderpumpen zumeist in Form von gezeichneten Diagrammen bereitgestellt werden, die von der Software nicht direkt verarbeitet werden können, wird die gewünschte Pumpenwirkungsgradkennlinie aus der entsprechenden gezeichneten Pumpenwirkungsgradkennlinie des Herstellers in eine elektronische Form überführt, die sich mittels der Software auswerten bzw. verarbeiten lässt. Dazu werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus der Pumpenwirkungsgradkennlinie des Herstellers, vorzugsweise aus der Pumpenwirkungsgradkennlinie für den maximalen Wirkungsgrad, Wertepaare extrahiert und mittels einer Polynomregression (polynomiale Regression) in eine für die Berechnung und Anzeige verwendbare elektronische Form umgewandelt.
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Die Ermittlung der Anlagenkennlinie aus der geodätischen Höhe, der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen und den Rohrleitungsverlusten im Leitungsnetz erfolgt vorzugsweise, indem die Kennlinien dieser Größen in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem durch die verwendete Software elektronisch addiert werden.
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Bei der Anlagenkennlinie, die bei dem Verfahren bzw. von der Steuer- oder Regeleinheit ermittelt wird, handelt es sich um eine ”dynamische” Kennlinie, in deren Berechnung die konstante geodätische Höhe sowie eine ”dynamische” Kennlinie der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen und eine ”dynamische” Kennlinie der Leitungsverluste im Leitungsnetz einfließen. Aus der Anlagenkennlinie lässt sich entnehmen, welchen Widerstand das Leitungsnetz der Pumpe bei einer bestimmten Förder- oder Durchflussmenge entgegensetzt, wodurch wiederum berechnet werden kann, welcher Druck notwendig ist, um eine bestimmte Förder- oder Durchflussmenge durch das Leitungsnetz zu fördern.
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Bei der geodätischen Höhe handelt es sich um die Höhendifferenz zwischen dem höchstgelegenen Punkt des Leitungsnetzes, in das die Förderpumpe fördert, und dem Ruhewasserspiegel in dem Brunnen, aus dem die Förderpumpe fördert. Der Ruhewasserspiegel ist der Wasserspiegel, der sich in dem Brunnen einstellt, wenn kein Nasser aus dem Brunnen gefördert wird. Die geodätische Höhe ist ein konstanter Wert, der von der Förder- oder Durchflussmenge unabhängig ist. In dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem ist die nachfolgend auch vereinfacht als geodätische Kennlinie bezeichnete Kennlinie der geodätischen Höhe daher eine parallel zur Abszisse verlaufende Gerade.
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Die nachfolgend auch vereinfacht als Absenkungskennlinie bezeichnete Kennlinie der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen ist eine ”dynamische” Kennlinie, die für jeden Brunnen im Normal- oder Regelbetrieb der Förderpumpe durch schrittweise oder bevorzugt kontinuierliche Messungen ermittelt wird. Dabei wird der Ist-Wasserstand im Brunnen zum Beispiel mittels eines Druckmessers am Boden des Brunnens oder in Höhe der Tauchpumpe ermittelt und vom Ruhewasserstand subtrahiert. Die ”dynamische” Kennlinie zeigt den Verlauf der Absenkung des Wasserspiegels in Abhängigkeit von der Förder- oder Durchflussmenge und der Förderhöhe der Förderpumpe an. In dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem ist die Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen eine von der Förder- oder Durchflussmenge abhängige Kennlinie, die in der Regel mit der Förder- oder Durchflussmenge linear ansteigt.
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Die Leitungsverluste des Leitungsnetzes werden für jede Förderpumpe aus dem am Ausgang der Pumpe herrschenden Druck abgeleitet, der während des Normal- oder Regelbetriebs der Pumpe schrittweise oder bevorzugt kontinuierlich ermittelt wird. Bei der nachfolgend auch vereinfacht als Leitungskennlinie bezeichneten Kennlinie der Leitungsverluste handelt es sich um eine ”dynamische” Kennlinie, die in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem eine gekrümmte Kurve ist, die mit zunehmender Förder- oder Durchflussmenge und mit zunehmender Förderhöhe ansteigt, wobei die Steigung zunimmt.
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Bei Brunnenanlagen mit einer einzigen Förderpumpe steigen die Leitungsverluste des Leitungsnetzes gewöhnlich im Quadrat der Förder- oder Durchflussmenge an. Um die Ermittlung der Leitungsverluste aus dem Druck am Ausgang der Förderpumpe zu erleichtern, wird bevorzugt der Druck in der Leitung vor der ersten Verzweigung des Leitungsnetzes hinter der Förderpumpe gemessen. Das Höhenniveau, in dem der Druck im Leitungsnetz gemessen wird, fließt in die Berechnung ein, wenn der Druck nicht unmittelbar am Ausgang der Förderpumpe gemessen wird, sondern zum Beispiel am Brunnenkopf, der bei Tauchpumpen auf einem höheren Niveau als der Ausgang der Pumpe gelegen ist. Die Messung des Drucks am Brunnenkopf wird bevorzugt, weil sich die Leitung dort noch nicht verzweigt hat und weil die Messung des Drucks dort einfacher als innerhalb des Brunnens am Ausgang der Förderpumpe ist.
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Während bei bisherigen Verfahren zum Betrieb von Brunnenanlagen mit Förderpumpen der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen ”statisch” durch Pumpversuche ermittelt wird und die Leitungsverluste aus Tabellen oder Diagrammen entnommen werden, werden somit die Kennlinien der Absenkung des Wasserspiegels und der Leitungsverluste des Leitungsnetzes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ”dynamisch” durch Messung von Größen ermittelt, aus denen sich die momentane Absenkung des Wasserspiegels und die momentanen Leitungsverluste des Leitungsnetzes für jede Förderpumpe getrennt ableiten lassen.
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Anders als die bekannte statische Ermittlung der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen durch Pumpversuche gestattet es die erfindungsgemäße dynamische Ermittlung der Absenkung darüber hinaus auch noch, eine Verstopfung des Brunnens zu erkennen. Eine solche Verstopfung, bei der nicht ausreichend Wasser in den Brunnen nachströmen kann, macht sich in der Regel dadurch bemerkbar, dass sich im Betrieb der Förderpumpe nicht nach einiger Zeit ein konstanter Förderwasserspiegel einstellt, bei dem sich die Förder- oder Durchflussmenge der Förderpumpe und der Zufluss in den Brunnen die Waage halten, sondern dass der Förderwasserspiegel immer weiter absinkt.
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Wie bereits angegeben, werden für jede Förderpumpe neben der Absenkung des Wasserspiegels im zugehörigen Brunnen noch der Druck und die Förder- oder Durchflussmenge am Ausgang der Pumpe ermittelt. Wie der Druck braucht jedoch auch die Förder- oder Durchflussmenge nicht direkt am Ausgang der Förderpumpe gemessen werden. Stattdessen kann die Messung an einer beliebigen Stelle vor der ersten Verzweigung der Leitung erfolgen und erfolgt bevorzugt am Brunnenkopf. Die Messung der Förder- oder Durchflussmenge wird vorzugsweise mittels eines induktiven Messgeräts vorgenommen und erfolgt gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wie die Messung der Absenkung des Wasserspiegels und des Drucks schrittweise oder bevorzugt kontinuierlich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auf einem Bildschirm die Pumpenwirkungsgradkennlinie, die Anlagenkennlinie und eine Pumpenkennlinie angezeigt werden. Bei der Pumpenkennlinie handelt es sich um eine ”dynamische” Kennlinie, die für eine bestimmte Antriebsdrehzahl oder Frequenz der Förderpumpe in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem deren Betriebspunkte in Form einer Förder- oder Durchflussmenge der Förderpumpe in Abhängigkeit von der Förderhöhe zeigt. Die Pumpenkennlinien sind in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem gekrümmte, mit zunehmender Förder- oder Durchflussmenge und zunehmender Förderhöhe abfallende Kurven, deren Steigung zumeist mit zunehmender Förder- oder Durchflussmenge und zunehmender Förderhöhe größer wird.
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Damit lassen sich auf dem Bildschirm sowohl der Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der Anlagenkennlinie und der Schnittpunkt der Pumpenwirkungsgradkennlinie mit der Anlagenkennlinie darstellen, von denen der erstere den berechneten momentanen Ist-Betriebspunkt und der letztere den energetisch günstigsten Soll-Betriebspunkt der Förderpumpe darstellt. Dadurch ist für das Bedienungspersonal unmittelbar ersichtlich, ob die beiden Betriebspunkte übereinstimmen oder sich im Falle einer Abweichung aneinander annähern, was eine Kontrolle erleichtert.
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Der aus dem Schnittpunkt der Pumpenkennlinie mit der Anlagenkennlinie berechnete Ist-Betriebspunkt und der aus dem Schnittpunkt der Pumpenwirkungsgradkennlinie mit der Anlagenkennlinie berechnete Soll-Betriebspunkt werden jeweils in Form einer Förder- oder Durchflussmenge ausgegeben, wobei der erstere die Ist-Förder- oder Durchflussmenge und der letztere die energetisch günstigste Soll-Förder- oder Durchflussmenge darstellt. Diese werden der Steuer- oder Regeleinheit zugeführt, wie zuvor bereits beschrieben, die daraus einen Stellwert für den Frequenzumrichter erzeugt.
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Wie die Pumpenwirkungsgradkennlinie werden die Pumpenkennlinien aus gezeichneten Diagrammen der Hersteller durch Extraktion von Wertepaaren und Polynomregression in elektronische Form umgewandelt, so dass sie sich mittels der Software auf dem Bildschirm darstellen lassen. Die Darstellung erfolgt für die jeweilige Antriebsdrehzahl, so dass die zugehörige Frequenz benötigt wird.
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Im Betrieb einer Brunnenanlage mit einer oder mehreren Brunnen, aus denen jeweils eine Förderpumpe fördert, verändert sich in der Regel die Anlagenkennlinie jeder Förderpumpe dauernd, zum Beispiel wenn der Wasserspiegel im zugehörigen Brunnen absinkt oder sich die Leitungsverluste im Leitungsnetz verändern oder bei Brunnenanlangen mit mehreren Brunnen eine oder mehrere Förderpumpen zu- oder abgeschaltet werden. Die Veränderung der Anlagenkennlinie bewirkt eine Verschiebung der Anlagenkennlinie in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem, wodurch sich auch neue Schnittpunkt mit der Pumpenwirkungsgradkennline ergeben. Diese Schnittpunkte werden erfindungsgemäß von der Steuer- oder Regeleinheit ermittelt, die dann für den neu berechneten Schnittpunkt die zugehörige Soll- Förder- oder Durchflussmenge ermittelt, die in der Steuer- oder Regeleinheit mit der gemessenen Ist-Förder- oder Durchflussmenge verglichen wird, um den Sollwert für den Frequenzumrichter zu erzeugen. Dieser ändert daraufhin die Frequenz und die Antriebsdrehzahl der Förderpumpe, wodurch sich die Pumpenkennlinie und damit der momentane Betriebspunkt der Förderpumpe in dem oben genannten Diagramm oder Koordinatensystem so weit verschiebt, bis die Ist-Förder- oder Durchflussmenge der Soll-Förder- oder Durchflussmenge entspricht. Dies ist dann der Fall, wenn der Schnittpunkt der Pumpenkennlinie und der Anlagenkennlinie mit dem Schnittpunkt der Pumpenwirkungsgradkennline und der Anlagenkennlinie zusammenfällt.
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Der Schnittpunkt der Pumpenwirkungsgradkennlinie mit hohem Wirkungsgrad und der Anlagenkennlinie wirkt somit als Führungsgröße bei der Steuerung oder Regelung der Förderpumpe, wobei das energetische Einsparpotenzial darin liegt, dass der jeweilige als Ist-Durchflussmenge ausgedrückte momentane Betriebspunkt der Förderpumpe diesem Schnittpunkt nachgeführt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brunnenanlage mit einem Brunnen und einer Förderpumpe;
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brunnenanlage mit mehreren Brunnen und mehreren Förderpumpen;
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3 zeigt ein Diagramm der aus einer geodätischen Kennlinie, einer Absenkungskennlinie und einer Leitungskennlinie zusammengesetzten Anlagenkennlinie der Brunnenanlage aus 1 in Abhängigkeit von der Förder- oder Durchflussmenge und der Förderhöhe der Förderpumpe;
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4 zeigt ein entsprechendes Diagramm der Anlagenkennlinie aus 3 sowie einer Pumpenwirkungsgradkennlinie und zwei Pumpenkennlinien der Förderpumpe der Brunnenanlage aus 1;
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5 zeigt ein entsprechendes Diagramm der Anlagenkennlinie, der Pumpenwirkungsgradkennlinie und zwei Pumpenkennlinien der Förderpumpe, von denen eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens so verschoben worden ist, dass sie durch den Schnittpunkt der Pumpenwirkungsgradkennlinie und der Anlagenkennlinie verläuft;
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6 zeigt ein Diagramm entsprechend 4, das auf einem Bildschirm eines Rechners einer Leitwarte der Brunnenanlage dargestellt wird.
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Die in 1 dargestellte Brunnenanlage 10 besteht im Wesentlichen aus einem einzigen Trinkwasserbrunnen 12 und einer im Brunnen 12 installierten Förderpumpe 14, die Trinkwasser aus dem Brunnen 12 durch eine Leitung 18 in einen Vorratsbehälter 16 pumpt.
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Bei der Pumpe 12 handelt es sich um eine Tauchpumpe, die innerhalb des Brunnens 12 im Wasser untergetaucht und zum Beispiel als Kreiselpumpe ausgebildet ist. Der Vorratsbehälter 16 kann beispielsweise ein Hochreservoir oder eine Verdüsung sein.
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Die Brunnenanlage 10 umfasst weiter Mittel 20 zum kontinuierlichen Ermitteln der Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen 12, ein am Brunnenkopf 22 angeordnetes Druckmessgerät 24 zur kontinuierlichen Messung des Wasserdrucks in der Leitung 18 hinter der Pumpe 14 und ein ebenfalls am Brunnenkopf 22 angeordnetes Durchflussmengen-Messgerät 26 zur kontinuierlichen Messung der Förder- oder Durchflussmenge der Pumpe 14.
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Die Mittel 20 umfassen ein Druckmessgerät 28, das etwa in Höhe der Pumpe 14 im Brunnen 12 angeordnet ist und kontinuierlich den hydrostatischen Druck der Wassersäule oberhalb des Druckmessgeräts 28 erfasst. Wie in 1 durch eine schraffierte Fläche dargestellt, schwankt die Höhe der Wassersäule im Brunnen zwischen einem Ruhewasserspiegel H0, der sich einstellt, wenn die Pumpe 14 längere Zeit kein Wasser aus dem Brunnen 12 fördert, und einem Betriebswasserspiegel H1, der sich im Betrieb der Förderpumpe 14 einstellt, wenn sich die von der Pumpe 14 geförderte Wassermenge und der Wasserzustrom aus der Umgebung in den Brunnen 12 die Waage halten. Aus dem hydrostatischen Druck der Wassersäule im Brunnen lässt sich die jeweilige Absenkung des Wasserspiegels HAbs (1) ermitteln, die der Höhendifferenz ΔH zwischen dem Ruhewasserspiegel H0 und dem momentanen Ist-Wasserspiegel HIst entspricht und in der Regel zwischen den beiden Werten H0 und H1 liegt.
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Darüber hinaus umfasst die Brunnenanlage 10 eine Steuer- und Regeleinheit 30 zum Steuern und Regeln der Antriebsdrehzahl der Förderpumpe 14. Die Steuer- und Regeleinheit 30 ist durch Signalleitungen 32 mit den Messgeräten 24, 26 und den Mitteln 20 verbunden. Außerdem kommuniziert die Steuer- und Regeleinheit 30 einerseits mit einem Rechner 34 einer Steuerwarte 36 der Brunnenanlage 10 und andererseits mit einem Frequenzumrichter 38, der durch eine Stromzufuhrleitung 40 mit dem elektrischen Antriebsmotor der Förderpumpe 14 verbunden ist. Der Rechner 34 umfasst einen Bildschirm 42, auf dem Kennlinien der Brunnenanlage 10 und der Förderpumpe 14 sowie das Ergebnis der Steuerung und Regelung der Antriebsdrehzahl zur visuellen Überprüfung dargestellt werden können. Mittels des Frequenzumrichters 38 kann die Frequenz der am Antriebsmotor der Pumpe 14 anliegenden Wechselspannung verändert und damit die Antriebsdrehzahl der Pumpe 14 stufenlos von der vom Hersteller vorgegebenen Mindestdrehzahl bis zur Nenndrehzahl verändert werden, ohne dass das Antriebsdrehmoment absinkt.
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Das am Brunnenkopf 22 angeordnete Druckmessgerät 24 misst den Wasserdruck in der Leitung 18 in Höhe des Brunnenkopfs 22. Der gemessene Wasserdruck in der Leitung 18 wird über die Steuer- und Regeleinheit 30 zum Rechner 34 übertragen, wo der gemessene Druck und der hydrostatische Druck der Wassersäule zwischen dem Ausgang der Förderpumpe 14 und der Messstelle am Brunnenkopf 22 addiert werden, um den Druck am Ausgang der Förderpumpe 14 zu berechnen. Die Leitungsverluste in der Leitung 18 stehen in einer definierten Beziehung zum Druck am Ausgang der Förderpumpe 14 und können vom Rechner 34 aus dem vom Druckmessgerät 24 gemessenen Druck berechnet werden.
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Bei dem Durchflussmengen-Messgerät 26 handelt es sich um ein induktives Messgerät, von dem aus die gemessene Förder- oder Durchflussmenge in der Leitung zur Steuer- und Regeleinheit 30 und zum Rechner 34 übertragen wird. Da sich die Leitung 18 vor dem Brunnenkopf 22 nicht verzweigt, entspricht die gemessene Förder- oder Durchflussmenge der Förder- oder Durchflussmenge am Ausgang der Pumpe 14.
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Der vom Druckmessgerät 28 gemessene Druck der Wassersäule wird zur Steuer- und Regeleinheit und von dort zum Rechner übertragen, der aus dem gemessenen Druck die Absenkung des Wasserspiegels HAbs berechnet.
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Für die Steuerung bzw. Regelung der Förderpumpe 14 wird weiter die geodätische Höhe Hgeod benötigt, d. h. die Höhendifferenz zwischen dem Ruhewasserspiegel H0 und dem höchsten Punkt der Steigleitung, wie in 1 dargestellt.
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Der Rechner 34 erzeugt aus der geodätischen Höhe Hgeod, der momentanen Absenkung des Wasserspiegels HAbs und dem momentanen Druck am Ausgang der Förderpumpe 14 jeweils eine Kennlinie dieser Größen. Zum besseren Verständnis sind diese Kennlinien in 3 in einem Diagramm oder Koordinatensystem dargestellt, in dem die Abszisse die Förder- oder Durchflussmenge der Förderpumpe in m3/h und die Ordinate die Förderhöhe der Förderpumpe 14 in mWS angibt.
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Da es sich bei der geodätischen Höhe Hgeod um eine Konstante handelt, ist die Kennlinie eine zur Abszisse parallele Gerade, die in 3 durch eine punktierte Linie A dargestellt ist. Bei der Kennlinie der Absenkung des Wasserspiegels handelt es sich ebenfalls um eine Gerade, die aber proportional zur Förder- oder Durchflussmenge der Förderpumpe 14 ansteigt, wie in 3 durch eine unterbrochene Linie B dargestellt. Die Kennlinie der Leitungsverluste ist eine gekrümmte Kurve, die aufgrund des steigenden Leitungswiderstands entsprechend dem Quadrat der Förder- oder Durchflussmenge ansteigt, wie in 3 durch eine strichpunktierte Linie C dargestellt.
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Aus diesen drei Kennlinien A, B und C wird vom Rechner 34 als Summe der drei Kennlinien A, B und C eine Anlagenkennlinie berechnet, die in 3 durch eine durchgezogene Linie D dargestellt ist. Die Anlagenkennlinie D ist eine dynamische Kennlinie, die sich bei jeder Veränderung des Drucks am Ausgang der Pumpe 14 und jeder Veränderung der Absenkung des Wasserspiegels im Diagramm verschiebt.
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Im Rechner 34 sind für dasselbe Diagramm oder Koordinatensystem eine Pumpenwirkungsgradkennlinie mit maximalem Wirkungsgrad und eine Pumpenkennlinie gespeichert, von denen die erstere eine parabolisch ansteigende Kurve ist, wie in 4 durch eine unterbrochene Linie E dargestellt, und die letztere eine abfallende gekrümmte Kurve ist, wie in 4 durch eine punktierte Linie F dargestellt. Neben diesen beiden Kurven E und F zeigt 4 auch die Anlagenkennlinie D.
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Die Pumpenwirkungsgradkennlinie E ist eine statische Kennlinie, die den maximalen Wirkungsgrad der Pumpe 14 in Abhängigkeit von der Förder- oder Durchflussmenge und von der Förderhöhe angibt. Bei einer als Kreiselpumpe ausgebildeten Förderpumpe 14 beträgt der maximale Wirkungsgrad zum Beispiel etwa 72 bis 78 Die Pumpenkennlinie F ist eine dynamische Kennlinie, die für eine bestimmte Frequenz oder Antriebsdrehzahl der Förderpumpe 14 deren Betriebspunkte in Form einer Förder- oder Durchflussmenge in Abhängigkeit von der Förderhöhe zeigt.
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Da sowohl Pumpenwirkungsgradkennlinien und Pumpenkennlinien in der Regel nicht in einer Form vorliegen, die eine Verarbeitung der Kennlinien durch Software zulässt, sondern vom jeweiligen Pumpenhersteller in Form von gezeichneten Diagrammen geliefert werden, ist es erforderlich, diese Kennlinien in eine zur elektronischen Verarbeitung geeignete Form umzuwandeln. Wie in 4 für eine Hersteller-Pumpenkennlinie G für die maximale Frequenz oder Antriebsdrehzahl schematisch dargestellt ist, erfolgt dies dadurch, dass aus der gezeichneten Kennlinie eine Reihe von Wertepaaren X extrahiert und anschließend durch Polynomregression eine Kurve erzeugt wird, die von der im Rechner 34 implementierten Software verarbeitet und auf Bildschirm 42 dargestellt werden kann und in 4 als strichpunktierte Linie G dargestellt ist. Bei der genannten Polynomregression handelt es sich um ein bekanntes Verfahren, das daher hier nicht näher beschrieben werden braucht.
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Um die Förderpumpe 14 stets in einem energetisch günstigsten Betriebspunkt zu betreiben, werden vom Rechner kontinuierlich die Schnittpunkte S1 und S2 der momentanen Anlagenkennlinie D mit der Pumpenkennlinie F für die momentane Antriebsdrehzahl oder Frequenz sowie mit der Pumpenwirkungsgradkennlinie E für den maximalen Wirkungsgrad berechnet. Der Schnittpunkt S1 in 4 und 5 stellt den momentanen Betriebspunkt der Pumpe 14 dar, während der Schnittpunkt S2 in 4 und 5 den energetisch günstigsten Betriebspunkt darstellt.
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Für den energetisch günstigsten Betriebspunkt der Förderpumpe im Schnittpunkt S2 übermittelt der Rechner 34 die zugehörige Förder- oder Durchflussmenge als Soll-Durchflussmenge an die Steuer- und Regeleinheit 30, wo diese Soll-Durchflussmenge mit der vom Durchflussmengen-Messgerät 26 gemessenen und an die Steuer- und Regeleinheit 30 übermittelten momentanen Ist-Durchflussmenge verglichen wird. Die Steuer- und Regeleinheit 30 erzeugt dann aus einer eventuellen Differenz der beiden Werte einen Stellwert für den Frequenzumrichter 38, der daraufhin durch eine entsprechende Frequenzänderung die Antriebsdrehzahl der Förderpumpe 14 so lange verändert, bis die Ist-Durchflussmenge mit der Soll-Durchflussmenge übereinstimmt. Durch die Veränderung der Frequenz verschiebt sich die Pumpenkennlinie, bis die beiden Schnittpunkte S1 und S2 in einem Punkt zusammenfallen, wie in 5 für die bei der neuen Frequenz berechnete Pumpenkennlinie H dargestellt.
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Zur Überwachung der Brunnenanlage 10 und der energieoptimalen Steuerung bzw. Regelung der Förderpumpe 14 wird das in 6 dargestellte Diagramm auf dem Bildschirm 42 des Rechners 34 angezeigt. Auf diese Weise kann das Bedienungspersonal sehen, ob die Schnittpunkte S1 und S2 wie gewünscht übereinstimmen und ob der Schnittpunkt S1 dem Schnittpunkt S2 nachgeführt wird, wenn sich der gemessene Druck am Ausgang der Pumpe 14 und/oder die Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen 12 verändern und sich dadurch die Anlagenkennlinie D verschiebt.
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Neben den in 4 und 5 dargestellten Kennlinien D, E, F und H werden auf dem Bildschirm 42 des Rechners 36 auch die gemessene Ist-Durchflussmenge und die Soll-Durchflussmenge am Ausgang der Pumpe 14 als Zahlenwerte nebeneinander angezeigt. Auf diese Weise kann das Bedienungspersonal die beiden Werte auf einen Blick miteinander vergleichen.
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Darüber hinaus werden auch der berechnete Druck am Ausgang der Förderpumpe 14, der momentane Wasserspiegel im Brunnen 12, die Ist-Frequenz des zur Förderpumpe 14 zugeführten Wechselstroms und die Förder- oder Durchflussmenge am Ausgang der Förderpumpe 14 als Zahlenwerte angezeigt.
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Die Brunnenanlage in 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Brunnenanlage 10 dadurch, dass sie mehrere Brunnen 12 und mehrere Förderpumpen 14 umfasst, die durch ein gemeinsames Leitungsnetz 52 in den Vorratsbehälter 16 fördern, jedoch mittels einer einzigen Steuer- und Regeleinheit 30 und eines einzigen Rechners 34 gesteuert bzw. geregelt werden. Die Förderpumpen 14 können bei Bedarf einzeln zu- oder abgeschaltet werden, wenn die zu fördernde Wassermenge vergrößert oder verkleinert werden soll. Durch die Zu- oder Abschaltung einzelner Förderpumpen 14 ergeben sich für die anderen momentan im Betrieb befindlichen Förderpumpen 14 ständig neue Anlagenkennlinien D, die vom Rechner 34 mit Hilfe der Software kontinuierlich berechnet werden.
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Die Berechnung erfolgt für jede im Betrieb befindliche Förderpumpe 14 separat und unabhängig von den jeweils anderen im Betrieb befindlichen Förderpumpen 14 in der zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Art und Weise, indem für jede einzelne der im Betrieb befindlichen Förderpumpen 14 kontinuierlich aus der zugehörigen geodätischen Höhe Hgeod, dem ermittelten Druck am Ausgang der Pumpe 14 sowie der ermittelten Absenkung des Wasserspiegels HAbs im zugehörigen Brunnen 12 eine zugehörige Anlagenkennlinie D berechnet wird, indem danach die Schnittpunkte S1 und S2 dieser Anlagenkennlinie D mit der zugehörigen Pumpenkennlinie F und mit der zugehörigen Pumpenwirkungsgradkennlinie E für den maximalen Wirkungsgrad ermittelt werden und indem schließlich die Ist-Durchflussmenge im Schnittpunkt S1 der berechneten Anlagenkennlinie D mit der zugehörigen Pumpenkennlinie F durch Veränderung der Frequenz und der Antriebsdrehzahl der Pumpe 14 mittels der Steuer- und Regeleinheit und des zugehörigen Frequenzumrichters 38 an die Soll-Durchflussmenge im Schnittpunkt S2 der berechneten Anlagenkennlinie D mit der zugehörigen Pumpenwirkungsgradkennlinie E herangeführt wird.
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Da die Ermittlung des Drucks am Ausgang jeder Förderpumpe 14 und die momentane Absenkung des Wasserspiegels in jedem Brunnen 12 sowie die Berechnung für jede Förderpumpe 14 unabhängig von den anderen Brunnen 12 bzw. Förderpumpen 14 vorgenommen wird, kann das zuvor beschriebene Verfahren auch zur Steuerung oder Regelung komplexer Brunnenanlagen 50 eingesetzt werden, indem bei allen Förderpumpen 14 der Brunnenanlage 50 auf die zuvor beschriebene Art und Weise kontinuierlich der berechnete energetisch günstigste Betriebspunkt eingestellt wird.
