DE19645129A1

DE19645129A1 - Verfahren zum kavitiationsfreien Betrieb einer drehzahlgeregelten Pumpe

Info

Publication number: DE19645129A1
Application number: DE1996145129
Authority: DE
Inventors: Volker Waese
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-11-04
Filing date: 1996-11-04
Publication date: 1998-05-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kavitationsfreien Betrieb einer drehzahlge regelten Pumpe, deren auf eine nach ISO 2548 definierte Bezugsebene bezogene pumpenspezifische Nettoenergiehöhe (NPSH_erf) aus betrieblichen Messungen ab geleitet wird, wobei ein Überschreiten dieser pumpenspezifischen Nettoenergiehö he (NPSH_erf) gegenüber der in der Anlage vorhandenen Nettoenergiehöhe (NPSH_vorh), bezogen auf die gleiche Bezugsebene, Kavitation hervorruft.

Es ist allgemein bekannt, daß in strömenden Flüssigkeiten bei Absinken des stati schen Druckes auf den zu der Temperatur der Flüssigkeit gehörenden Dampf druck, beispielsweise durch Vergrößerung der Absolutgeschwindigkeit der Strö mung oder durch Änderung der geodätischen Zulaufhöhe, sich im Inneren der Flüssigkeit an dieser Stelle Dampfblasen bilden. Diese Dampfblasen werden von der Strömung mitgerissen und zerfallen implosionsartig, sobald der statische Druck auf dem weiteren Strömungsweg über den Dampfdruck ansteigt. Das Entstehen und schlagartige Zusammenfallen von Dampfblasen wird als Kavitation bezeichnet.

Bei beginnender "Implosion" der Dampfblasen in Wandnähe bilden sich Einbeulun gen auf der der Wand abgewandten Seite. Mit zunehmender Einbuchtung bildet sich ein Mikrostrahl der Flüssigkeit, der, gegen die Wand gerichtet, auf der Wandoberfläche mit hoher Geschwindigkeit auftrifft und sie hierdurch örtlich zer stört.

Bei Pumpen mit stationärer Drehzahl können die Strömungsverhältnisse so einge stellt werden, daß die von Vordruck, Temperatur und Stoffgrößen des Fördermedi ums, Strömungsgeschwindigkeit und der Geometrie der Pumpe abhängigen Ein trittsbedingungen für Kavitation zu deren Vermeidung berücksichtigt werden. Hierzu wird üblicherweise eine Druck- beziehungsweise Differenzdruckmessung oder eine Durchflußmessung zur Bestimmung des kritischen Betriebszustandes installiert.

Demgegenüber ist eine einfache Bestimmung des Betriebszustandes durch eine Druck- oder Durchflußmessung bei drehzahlgeregelten Pumpen, insbesondere bei drehzahlgeregelten Kreiselpumpen, bei denen Kavitation vorzugsweise im Schau felkanaleintritt auftreten kann, zur Ermittlung des Kavitationszustandes nicht aus reichend. Bei Verminderung des Fördervolumens fällt bei drehzahlgeregelten Pum pen die Drehzahl unter die Auslegungsdrehzahl, so daß aufgrund der einherge henden Veränderung der Strömungsverhältnisse örtliche Druckabfälle auftreten können, die schon bei relativ niedrigen Förderströmen Kavitation hervorrufen. Zwar ist bekannt, daß zur Vermeidung beziehungsweise Einschränkung möglicher Kavi tation in Kreiselpumpen am Laufrad ein statischer Überdruck über den Dampfdruck herrschen muß, doch ist es sehr aufwendig oder unmöglich, bei drehzahlgeregelten Pumpen über den gesamten Betriebsbereich derartige Betriebsbedingungen einzu halten.

Als Kenngröße für den erforderlichen Drucküberschuß wird üblicherweise die Net toenergiehöhe entsprechend dem pumpenspezifischen NPSH (Net Positive Suction Head)-Wert herangezogen, welcher ein Maß dafür ist, um wieviel die gesamte Druckhöhe in der Bezugsebene für den NPSH-Wert mindestens über der Dampf druckhöhe des Förderfluids liegen muß, um eine einwandfreie Funktion der Pumpe mit den vorgegebenen Nenndaten für Drehzahl Druck oder Förderstrom zu ge währleisten. Die erforderliche Nettoenergiehöhe der Pumpe wird mit NPSH_erf und die vorhandene Nettoenergiehöhe der Anlage mit NPSH_vorh bezeichnet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver fahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches mit möglichst geringem Aufwand erlaubt, eine drehzahlgeregelte Pumpe kavitationsfrei zu betreiben. Fer ner soll eine Vorrichtung zu Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an gegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Entsprechend der Erfindung ist es daher vorgesehen, daß aufgrund von ähnlichen Strömungsverhältnissen in der Pumpe unter Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze affine Betriebspunkte für unterschiedliche Drehzahlen bestimmt werden, welche zu einem in Bezug auf die NPSH-Auslegung relevanten Betriebspunkt affin sind. Der NPSH-Wert der Anlage dieses Referenzpunktes entspricht oder übersteigt den er forderlichen NPSH-Wert der Pumpe. Hieraus ergibt sich eine für den Eintritt von Kavitation maßgebliche Grenzkurve. Dabei liegt ein Betriebspunkt entsprechend nachfolgender Bedingungen nicht im kavitationsgefährdeten Bereich bei:

mit
H_Betrieb = Förderhöhe bei Betriebsdrehzahl
H_Referenz = Förderhöhe bei der Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavi tation beginnt
n_Betrieb = Betriebsdrehzahl
n_Referenz = Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavitation beginnt
oder

mit
Q_Betrieb = Fördermenge bei Betriebsdrehzahl
Q_Referenz = Fördermenge bei der Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavi tation beginnt
n_Betrieb = Betriebsdrehzahl
n_Referenz = Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavitation beginnt

Werden die obigen Bedingungen eingehalten, befindet sich die Pumpe außerhalb des kavitationsgefährdeten Bereichs. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man bei drehzahlgeregelten Pumpen anhand von betrieblichen Messungen ermittelt, ob der bei unterschiedlichen Drehzahlen erforderliche NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) der Pumpe den vorhandenen NPSH-Wert der Anlage über schreitet.

Erfindungsgemäß werden hierbei ähnliche Strömungsverhältnisse in der Pumpe unter Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze miteinander verglichen und durch Ver gleich dieser affinen Betriebspunkte ermittelt, ob eine Pumpe im kavitationsgefähr deten Bereich läuft. Das bedeutet, daß man zunächst affine Betriebspunkte und deren Parameter ermittelt, diese dann mit einem für den erforderlichen NPSH-Wert der Pumpe relevanten Auslegungspunkt hinsichtlich des kavitationsgefährdeten Bereichs vergleicht und, wenn man feststellt, daß sich die Pumpe im kavitationsge fährdeten Bereich befindet, die Anlagenkennlinie verändert und die Betriebspara meter dabei so festlegt, daß sich die Betriebspunkte stets außerhalb des kavitati onsgefährdeten Bereichs befinden.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, daß man zur Be stimmung der betrieblichen Förderhöhe H_Betrieb die Druckdifferenz des Pumpenvor drucks zum Druck nach der Pumpe zugrundelegt.

Eine weitere vorteilhafte Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist da durch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der betrieblichen Förderhöhe H_Betrieb der Druck nach der Pumpe gemessen wird oder daß man die Durchflußmenge mit tels einer strömungsmäßig nach der Pumpe vorgesehenen Durchflußmessung be stimmt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ist mit einer in eine Rohrleitung eingebundenen drehzahlgeregelten Pumpe, ausgerü stet mit einem Drehzahlmesser und mit einem zugeordneten Regelorgan für das Fluid, insbesondere einem Regelventil, ausgestattet. Entsprechend der zu dem Verfahren zugrundeliegenden Aufgabe soll die Vorrichtung möglichst einfach ge staltet und unproblematisch in der Handhabung sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einer ersten Lösungsvariante durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst, indem der Pumpe eine Meßstelle zuge ordnet ist, welche zur Druckmessung des geförderten Fluids dient und strömungs mäßig vor dem Regelorgan in der Rohrleitung angeordnet ist.

Nach einer zweiten Lösungsvariante wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst, indem der Pumpe eine Meßstelle zugeordnet ist, welche zur Durchflußmessung des geförderten Mediums dient und strömungsmäßig vor dem Regelorgan in der Rohrleitung angeordnet ist.

Entsprechend einer dritten Lösungsvariante wird diese Aufgabe durch Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst, indem der Pumpe eine Meßstelle zugeordnet ist, welche zur Differenzdruckmessung des Förderdrucks vor und nach der Pumpe dient und strömungsmäßig vor dem Regelorgan in der Rohrleitung angeordnet ist.

Das Entscheidende bei der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß mit an sich bekannten und in jeder herkömmlichen Anlage vorhandenen oder zumindest nachrüstbaren Meßeinrichtungen die erforderlichen Kennwerte ermittelt werden können, anhand derer eine sichere Beurteilung des Anlagenverhaltens möglich und ein störungsfreier Pumpenbetrieb zu gewährleisten ist.

Dies und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie be sondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 3 eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 4 ein erstes Diagramm mit der Darstellung der Förderhöhe H über dem Förderstrom Q sowie den anlagenspezifischen und pumpenspezifischen NPSH-Werten

Fig. 5 ein weiteres Diagramm mit einem Beispiel einer Pumpe mit der Förder höhe H über dem Förderstrom Q, einzelnen Betriebspunkten bei unter schiedlicher Drehzahl sowie dem NPSH-Wert über dem Förderstrom Q und

Fig. 6 ein drittes Diagramm mit der Förderhöhe H über dem Förderstrom Q sowie einzelnen Betriebspunkten bei unterschiedlicher Drehzahl über dem Förderstrom und der Kennlinie affiner Betriebspunkte (KAB).

In Fig. 1 ist ein Leitungsstrang 10 mit einer darin angeordneten drehzahlgeregelten Pumpe 12 dargestellt; der Pumpe 12 ist ein Regelventil 14 nachgeschaltet. Mit Hilfe dieses Regelventils 14 kann das durchströmende Fluidvolumen eingestellt werden. Die Drehzahl der Pumpe 12 wird mittels eines hierzu vorgesehenen Meßfühlers 16 erfaßt. Zur Ermittlung der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Kenn werte ist die Pumpe 12 mit einem Bypass 18 versehen, der eine Meßstelle 20 zur Messung des Differenzdruckes aufnimmt. Anhand des ermittelten Differenzdruckes läßt sich mit Hilfe der Kennlinie der Pumpe unter Einbeziehung nachstehend ange gebener Bedingungen.

mit
H_Betrieb = Förderhöhe bei Betriebsdrehzahl
H_Referenz = Förderhöhe bei der Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavi tation beginnt
n_Betrieb = Betriebsdrehzahl
n_Referenz = Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavitation beginnt

oder

feststellen, ob der jeweilige Betriebspunkt im kavitationsgefährdeten Bereich der Kennlinie liegt oder nicht.

Anstelle der Differenzdruckmessung gemäß Fig. 1 kann auch entsprechend Fig. 2 eine Messung des strömungsmäßig hinter der Pumpe herrschenden Druckes vor gesehen sein, wobei prinzipiell die gleiche Vorgehensweise - wie zuvor für Fig. 1 beschrieben - anzuwenden ist.

In Fig. 3 schließlich ist eine dritte Lösungsvariante einer erfindungsgemäßen Vor richtung dargestellt, bei welcher an Stelle einer Druckmessung der durchströmende Volumenstrom mittels Durchflußmessung ermittelt wird. Die übrigen Komponenten sind, wie auch bei der Variante gemäß Fig. 2, mit der in Fig. 1 gezeigten und erläu terten Anordnung identisch.

In Fig. 4 sind in einem ersten Diagramm die Förderhöhe H über dem Förderstrom Q sowie anlagenspezifische und pumpenspezifische NPSH-Werte für eine bestimmte Anlage 10 mit einer bestimmten drehzahlgeregelten Pumpe 12 für eine Drehzahl grafisch dargestellt. Aus dieser empirisch gewonnenen Darstellung kann für den Betrieb der betreffenden Anlage die Kavitationsgefährdung der Pumpe bezie hungsweise können die Grenzen deren kavitationsgefährdeten Betrieb abgelesen werden. Zur Ermittlung, ob eine Pumpe im kavitationsgefährdeten Bereich betrie ben wird, ist zunächst die Q-H-Kennlinie für eine bestimmte Drehzahl aufgetragen. Zusätzlich werden die NPSH-Werte der Anlage für die Förderströme ermittelt und in das Diagramm eingetragen sowie die entsprechenden erforderlichen Werte der Pumpe. Hieraus ergibt sich das in Fig. 4 gezeigte Diagramm. Die Darstellung zeigt, daß alle Betriebspunkte ab einem bestimmten Förderstrom, der durch den Schnitt punkt der Kennlinie des in der Anlage vorhandenen NPSH-Wertes mit der Kennli nie der pumpenspezifischen NPSH-Werte definiert ist, kavitationsgefährdet sind. Im Betrieb kann durch Messen der Förderhöhe oder Fördermenge bestimmt werden (siehe Q-H-Kennlinie), ob die Pumpe im kavitationsgefährdeten Bereich betrieben wird.

In Fig. 5 ist ein Diagramm für Q-H- sowie mit NPSH-Kennlinien dargestellt. Dabei ist zunächst je eine Q-H-Kennlinie für zwei Pumpendrehzahlen n₁ = 1500 min^-1 und n₂ = 1000 min^-1 aufgetragen sowie je eine den Drehzahlen entsprechenden Kennli nie für die pumpenspezifischen NPSH-Werte. Ferner ist eine Kennlinie des in der betreffenden Anlage vorhandenen NPSH-Wertes vereinfacht als horizontal verlau fende Gerade aufgetragen, so daß man anhand dieser für eine konkrete Anlage gültigen Werte eine verläßliche Aussage zum Kavitationsverhalten machen kann. Mißt man beispielsweise bei der Drehzahl n₂ = 1000 min^-1 einen Durchfluß von 40 m³/h (entsprechend Punkt a₂ in Fig. 5 und 6), so ist der affine Betriebspunkt bei n₁ = 1500 min^-1 bei 60 m³/h (entsprechend Punkt a₁ in Fig. 5 und 6). Beide Punkte befin den sich nicht im kavitationsgefährdeten Bereich.

Mißt man hingegen bei der Drehzahl n₂ = 1000 min^-1 einen Durchfluß von 65 m³/h (entsprechend Punkt b₂ in Fig. 5 und 6), so ist der affine Betriebspunkt bei n₁ = 1500 min^-1 bei 97,5 m³/h (entsprechend Punkt b₁ in Fig. 5 und 6).

Während der Punkt b₂ wegen NPSH_vorhanden < NPSH_erorderlich noch nicht im kavitati onsgefährdeten Bereich liegt, ist der Punkt b₁ bereits im Kavitationsbereich, wobei geringe Durchflußerhöhungen beim Punkt b₂ dazu führen können, daß der erfor derliche NPSH-Wert den vorhandenen anlagenspezifischen NPSH-Wert übersteigt und auch der Betriebspunkt b₂ kavitationsbedroht ist. Dies hängt damit zusammen, daß der Anstieg der den erforderlichen NPSH-Wert anzeigenden Kennlinie mit zu nehmender Fördermenge immer stärker und der Verlauf der Kennlinie immer steiler wird. Diese Veränderung in der Steigung der erforderlichen NPSH- Werte einer Pumpe gilt für alle ihre Betriebspunkte. Will man also ermitteln, ob eine Pumpe in den kavitationsgefährdeten Bereich kommt, so sind lediglich die affinen Betrieb spunkte zu ermitteln, bei denen Kavitation beginnt (siehe Fig. 6 Linie KAB). Ermit telt man durch Messungen die Förderhöhe H oder die Fördermenge Q, so läßt sich einfach bestimmen, ob der Betriebspunkt links oder rechts vom Schnittpunkt der Q- H-Linie mit der Linie des für den NPSH-Wert relevanten Auslegungspunktes affinen Betriebspunktes liegt. Damit kann eine Aussage getroffen werden, ob der Betrieb spunkt kavitationsgefährdet ist (links vom Schnittpunkt entspricht keiner Kavitati onsgefährdung - siehe Fig. 6).

In Fig. 6 ist je eine Q-H-Kennlinie für die Pumpendrehzahlen n₁ = 1500 min^-1 und n₂ = 1000 min^-1 aufgetragen sowie eine Kennlinie affiner Betriebspunkte KAB, welche die beiden Drehzahlkennlinien schneidet. Aus dieser Darstellung läßt sich einer seits der zu einer bestimmten Pumpendrehzahl und einer bestimmten Förderhöhe zugehörige Förderstrom ablesen. Ferner läßt sich mit Hilfe der Kennlinie der für die Auslegung der Pumpe bezüglich des NPSH-Wertes relevanten affinen Betrieb spunkte ablesen, ob ein gewählter Betriebspunkt - wie oben beschrieben - im kavita tionsgefährdeten Bereich liegt oder nicht.

Ergibt sich aus dem vorstehend erläuterten Vergleich, daß eine Kavitationsgefähr dung besteht, so muß der Betriebspunkt, beispielsweise durch Vermindern des Förderstromes durch Androsseln eines Regelventils, so verschoben werden, bis er nicht mehr im kavitationsgefährdeten Bereich liegt.

Claims

1. Verfahren zum Kavitationsschutz einer drehzahlgeregelten Pumpe, deren auf eine nach ISO 2548 definierte Bezugsebene bezogene erforderliche pumpenspezi fische Nettoenergiehöhe (NPSH_erf) aus betrieblichen Messungen abgeschätzt wird, wo bei ein Überschreiten dieser erforderlichen, pumpenspezifischen Nettoenergiehöhe (NPSH_erf) gegenüber der in der Anlage vorhandenen Nettoenergiehöhe (NPSH_vorh), be zogen auf die gleiche Bezugsebene, Kavitation hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverhältnisse bei Betriebsdrehzahl im Betriebspunkt der Pumpe unter Verwendung der Ähnlichkeitsgesetze mit den Strömungsverhältnissen eines für die Auslegung bezüglich des NPSH-Wertes relevanten Punktes verglichen werden, daß ermittelt wird, ob die erforderliche pumpenspezifische Nettoenergiehöhe (NPSH_erf) die in der Anlage vorhandene Nettoenergiehöhe (NPSH_vorh) übersteigt und daß die Förder höhe bzw. Fördermenge der Pumpe in Abhängigkeit von der Drehzahl entsprechend einer der beiden nachfolgenden Bedingungen eingestellt wird
mit
H_Betrieb = Förderhöhe bei Betriebsdrehzahl
H_Referenz - Förderhöhe bei der Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavi tation beginnt
n_Betrieb = Betriebsdrehzahl
n_Referenz = Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavitation beginnt
oder
mit
Q_Betrieb = Fördermenge bei Betriebsdrehzahl
Q_Referenz = Fördermenge bei der Drehzahl, bei welcher im Referenzpunkt Kavi tation beginnt
n_Betrieb = Betriebsdrehzahl
n_Referenz = Drehzahl bei welcher im Referenzpunkt Kavitation beginnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der betrieblichen Förderhöhe H_Betrieb die Druckdifferenz des Pumpenvordrucks zum Pumpendruck nach der Pumpe bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Be stimmung der betrieblichen Förderhöhe H_Betrieb der Druck nach der Pumpe gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der betrieblichen Fördermenge Q_Betrieb eine Durchflußmessung im Leitungsstrang er folgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer in eine Rohrleitung eingebundenen drehzahlgeregelten Pumpe und einem zugeordneten Regelorgan, insbesondere Regelventil, dadurch gekenn zeichnet, daß der Pumpe eine Meßstelle zugeordnet ist, welche zur Druckmessung des geförderten Mediums dient.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer in eine Rohrleitung eingebundenen drehzahlgeregelten Pumpe und einem zugeordneten Regelorgan, insbesondere Regelventil, dadurch gekenn zeichnet, daß der Pumpe eine Meßstelle zugeordnet ist, welche zur Durchflußmessung des geförderten Mediums dient.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer in eine Rohrleitung eingebundenen drehzahlgeregelten Pumpe und einem zugeordneten Regelorgan, insbesondere Regelventil, dadurch gekenn zeichnet, daß der Pumpe eine Meßstelle zugeordnet ist, welche zur Messung des Dif ferenzdruckes zwischen dem Druck vor der Pumpe und dem Druck nach der Pumpe dient.