DE2216993A1 - Verfahren zur aufrechterhaltung eines vorgegebenen druckes eines in einem offenen leitunssystem befindlichen, insbesondere inkompressiblen mediums bei unterschiedlichem durchsatz desselben sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckes eines in einem offenen Leitungssystem befindlichen, insbesondere inkompressiblen Mediums bei unterschiedlichem Durch satz desselben sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines bestimmten einstellbaren Druckes eines insbesondere inkompressiblen Mediums, das sich in einem Leitungssystem befindet und diesem Leitungssystem in unterschiedlichen Mengen entnommen wird.
• Die Notwendigkeit, beispielsweise Wasser in zeitlich stark schwankenden Mengen, jedoch bei gleichbleibendem Druck zur Verfügung stellen zu können, ergibt sich bexpielsweise bei der Trinkwasserversorgung von Städten und Gemeinden, bei der Wasserversorgung von Haushalten in Hochhäusern und bei vielen anderen Gelegenheiten.
• Zur Bereitstellung unterschiedlicher, zeitlich stark schwankender Wassermengen mit konstantem Druck wurden bislang im wesentlichen zwei Methoden angewandt.
• Die eine Methode beruhte auf der Speicherung einer derart großen Wassermenge in einem Hochbehälter, daß mit Sicherheit Spitzenentnahmen an Wasser ohne Erschöpfung des Wasservorrates entnommen werden können, wobei der Druck von der Höhendifferenz des Hochbehälters gegenüber der Entnahmestelle bestimmt wird und wobei der Hochbehälter derart ausgelegt ist, daß ein Absinken des Wasserstandes in dem Hochbehälter selbst zu keiner wesentlichen Druckveränderung führt, was dadurch erreicht wird, daß die Höhendifferenz zwischen dem höchsten Wasserstand und dem niedrigsten Wasserstand in dem Hochbehälter beispielsweise nicht mehr als 5 m beträgt, wodurch ein maxmaler Druckunterschied von 0,5 atü eingehalten werden kann. Derartige Hochbehält er werden mittels kontinuierlich arbeitender Pumpen gefüllt, was dadurch möglich ist, daß der Hochbehälter als Puffer bei unterschiedlich starker Wasserentnahme fungiert.
• Eine weitere bekannte Methode, unterschiedlich große Wassermengen bei im wesentlichen konstantem Druck bereitstellen zu können, besteht darin, in einem geschlossenen Vorratsbehälter wiederum eine der kurzzeitig möglichen maximalen Entnahme entsprechende Wassermenge zu speichern, wobei nun dieser Behälter im Gegensatz zu Hochbehältern nach oben abgeschlossen ist und einen Gasraum aus vorzugsweise Zuluft beinhaltet, gegen dessen Druck der Vorratsbehälter wiederum durch ein Pumpensgstem kontinuierlich mit einer bestimmten Wassermenge beschickt wird.
• Dabei muß der Gasraum über dem in den Behälter gepumpten Wasser so ausgelegt sein, daß einmal der erforderliche Wasserdruck durch das komprimierte Gas erreicht wird und zum anderen das eingeschlossene und komprimierte Gas zwischen dem höchsten und dem niedrigsten in dem Behälter vorgesehenen Wasserstand eine bestimmte Druckdifferenz nicht überschritten wird, was bedingt, daß das Gasvolumen gegenüber dem von dem bevorrateten Wasser eingenommenen Raum verhältnismäßig groß sein muß. Je größer der Gasraum gegenüber dem von dem Wasser eingenommenen Raum ist, um so geringer kann die Druckdifferenz bei unterschiedlichem Wasserstand in dem Behälter gehalten werden.
• Beiden Methoden der Wasserversorgung mit konstantem Druck haftet der Nachteil an, daß ein erheblicher Platzbedarf für die Wasserbevorratung erforderlich ist. Bei der Wasserversorgung über ein Bevorratungssystem, das zur Druckerzeugung mit einem eingeschlossenen Gas arbeitet, sind außerdem noch Maßnahmen wegen Explosionsgefahr und ständige Wartung vorzusehen. Ebenso müssen Maßnahmen getroffen werden, daß in dem abgeschlossenen Vorratsbehälter ein maximaler Wasserstand nicht überschritten werden kann und daß zur weiteren Sicherung tiberdruckventile vorgesehen sind, die bei Uberschreiten eines bestimmten, maximal zulässigen Druckes ansprechen und für einen Abbau des Üterdruckes sorgen.
• Weiterhin ist denkbar, eine Wasserversorgung mit konstantem Druck mittels einer regelbaren Pumpe, z.B. einer Kreiselpumpe entsprechender Leistung, vorzunehmen. Eine derartige Pumpe müßte jedoch in ihrer Leistung so ausgelegt sein, daß sie mit Sicherheit auch den höchst möglichen Wasserbedarf decken kann.
• Da der höchst mögliche Wasserbedarf in der Regel jedoch nur ein- oder zweimal innerhalb von 24 Stunden kurzzeitig bei der Wasserversorgung anfällt, dann jedoch erheblich über dem mittleren Wasserverbrauch liegt, müßte eine derartige Pumpe fast ständig im Teillastbereich betrieben werden, was äußerst unwirtschaftlich ist, da der Wirkungsgrad von Kreiselpumpen im Teillastbereich sehr schlecht ist. Zudem sind Pumpen großer Leistung teuer in der Anschaffung.
• Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die vorbeschriebenen Systemen zur Wasserversorgung mit konstantem Druck anhaftenden Nachteile, wie hoher Raumbedarf, Wartungsintensivität sowie hohe Anschaffungs- und Betriebskosten, zu beseitigen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei oder mehrere Pumpen in Kaskaden zusammengeschaltet werden und nacheinander jede Pumpe bedarfsweise kontinuierlich zugeschaltet wird, wenn die vorausgehende Pumpe ihre Leistungsgrenze erreicht hat.
• Einzelheiten der Erfindung sollen im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben werden.
• In den Zeichnungnteigen Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines druckgesteuerten Pumpsystemes und Fig. 2 den zugehörigen Verlauf des durch eine Kreiselpumpe erzeugten Druckes bei konstant gehaltener Drehzahl derselben und unterschiedlichem Durchsatz des geförderten Mediums oder bei konstantem Durchsatz des Mediums und unterschiedlicher Drehzahl der Kreiselpumpe.
• Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Kaskadenschaltung zweier Kreiselpumpen und in Fig. 4 ist das zugehörige Druckdiagramm dargestellt.
• Fig. 5 zeigt eine Schalt anordnung zur Steuerung der elektrischen Antriebsmotoren zweier in Kaskade geschalteten Pumpen, während in Fig. 6 eine besondere Schaltung mehrerer Pumpen mit erfindungsgemäßer zyklischer Vertauschung wiedergegeben ist.
• In Fig. 1 ist mit 1 ein Leitungssystem bezeichnet, das über eine Zuleitung 2 von einer vorzugsweise als Kreiselpumpe ausgebildeten Pumpe 3 mit einer über eine Regelschaltung 4 gesteuerten Wassermenge beaufschlagt wird. Die Beaufschlagungsmenge richtet sich nach dem in dem Leitungssystem 1 herrschenden Druck, der über ein Manometer 5 erfaßt wird und als durch den Geber 6 erzeugte elektrische Größe der Steuerschaltung 4 zugeführt wird, worauf die Regelschaltung 4 den Antriebsmotor der Pumpe 3 durch Drehzahlveränderung desselben entsprechend steuert. Der von der Kreiselpumpe 3 bei konstanter Motordrehzahl verfügbare Druck P ist abhängig von der Durchsatzmenge Q der Pumpe, wie aus dem Diagramm von Fig. 2 zu ersehen ist.
• Andererseits kann durch VeräA rung der Drehzahl des Antriebsmotors der Kreiselpumpe 3 entsprechend der augenblicklichen Durchsatzmenge Q in der Zuleitung 2 der Druck P konstant geT halten werden innerhalb bestimmter durch die Leistung der Kreiselpumpe festgelegter Grenzen.
• Soll nun die Wasserversorgung von einem oder vielen Abnehmern mittels einer derartigen Kreiselpumpe erfolgen, so muß diese bezüglich ihrer Leistung auf die maximal vorkommende Entnahme ausgelegt werden. Da jedoch in der Regel die Maximalentnahmemenge, beispielsweise im Verlauf von 24 Stunden, nur ein- oder zweimal kurzzeitig auftritt, in der übrigen Zeit jedoch die Entnahme erheblich darunter liegt und auch über längere Zeit einen Wert nahe Null erreichen kann, würde eine derartige Pumpe äußerst unwirtschaftlich arbeiten, da sie zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckes auch bei geringster Entnahme eine unterste Drehzahl, die etwa bei 800 Umdrehungen pro Minute liegt, nicht unterschreiten darf, während sie ihre höchste Leistung bei beispielsweise 1400 Umdrehungen pro Minute erreicht.
• Bei Pumpsystemen, die in der Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser eingesetzt sind, wird zudem gefordert, daß das Pumpsystem eine100%ige Beistungsreserve besitzt, was den Wirkungsgrad einer mit nur einer Pumpe arbeitenden Anlage und damit auch deren Wirtschaftlichkeit verschlechtert.
• Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgesehen, das Pumpsystem aus zwei oder mehreren in Kaskade geschalteten Einzelpumpen aufzubauen, deren elektrische Antriebsmotoren über eine spezielle Steuerschaltung so geschaltet sind, daß die nachfolgenden Pumpen jeweils dann zugeschaltet werden, wenn die erste oder vorangegangene Pumpe an ihrer Beistungsgrenze angelangt ist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, die zugeschaltete Pumpe ebenfalls in ihrer Leistung bedarXweise kontinuierlich hochzufahren, um einen sogenannten Anfahrstoß, der sich durch eine kurzzeitige Druckerhöhung in dem Leitungssystem zeigt, zu vermeiden.
• In Fig. 3 ist eine derartige Kaskadenschaltung zweier paralleler Pumpen dargestellt. In Fig. 3 ist mit 10 die Eingangssammelleitung und mit 11 die Ausgangssammelleitung eines Wasserleitungssystems bezeichnet. Mit der Eingangssammelleitung 10 ist die Zuführungsleitung 12 zu der ersten Pumpe 13 verbunden und ebenso die Zuleitung 14 zu der zweiten Pumpe 15. Beide Ableitungen der Pumpen 13 und 15, 16 bzw. 17 münden wiederum in die Ausgangssammelleitung 11. Mit der Ausgangssammelleitung 11 ist ein Druckfühler 18 verbunden, der über einen Meßwertgeber 19 elektrische Impulse an die Steuerschaltung 20 der Pumpe 13 liefert. Diese Steuerschaltung besteht aus einem Verstärker, beispielsweise einem Energie- und Frequenzwandler. Durch diese Steuerschaltung 20 ist die Drehzahl des die Kreiselpumpe 13 antreibenden Elektromotors veränderbar. Da sich die Leistung der mit dem Elektromotor verbundenen Kreiselpumpe 13 entsprechend ihrer Drehzahl ebenfalls verändert, ist dadurch eine Steuerung der Leistung dieser Kreiselpumpe möglich.
• Sinkt nun in der Ausgangssammelleitung 11 der Druck P aufgrund erhöhter Wasserentnahme, so erhält die Steuerschaltung 20 für den Antrieb der Kreiselpumpe 13 von dem mit dem Manometer 18 verbundenen Meßwertaufnehmer 19 einen elektrischen Steuerimpuls, worauf der Antriebsmotor der Kreiselpumpe vermehrt mit elektrischer Energie über die Regelschaltung 20 gespeist wird.
• Wird jedoch soviel Wasser der Ausgangssammelleitung 11 entnommen, daß die erste Pumpe 13 nicht mehr in der Lage ist, den Druck P konstant zu halten und sinkt dieser, trotz maximaler Leistung der Kreiselpumpe 13 unter einen bestimmten vorgegebenen Istwert, so erzeugt erfindungsgemäß die Steuerschaltung 20 einen Impuls, auf den die Steuerschaltung 21 des Elektromotors der zweiten Kreiselpumpe 15 anspricht. Die Ansteuerung der zweiten Regelschaltung 21 durch die erste Regelschaltung 20 erfolgt dabei derart, da3 die Zuschaltung der zweiten Kreiselpumpe 15 kontinuierlich erfolgt.
• In gleicher Weise können auch noch weitere Pumpen kontinuierlich zugeschaltet werden, wenn die vorausgehende Pumpe mit höchster Leistung arbeitet und der Istwert des Druckes in der Ausgangssammelleitung 11 unter den eingestellten Sollwert sinkt.
• In Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der xeistungscharakteristik zweier in Kaskade geschalteten Pumpen gezeigt. Wie aus dieser Darstellung zu ersehen ist, ereicfrt; die erste Pumpe 13 bei einem gegebenen Sollwert von P bei Q1 ihre Bestungsgrenze. Spätestens zu diesem Zeitpunl wird nun über die Steuerschaltung 20 der ersten Pumpe 13, die ihre Steuerimpulse von dem Neßwertgeber 18, 19 erhalt, die zweite Pumpe 15 über den Regelkreis 21 zugeschaltet. Die Zuschaltung erfolgt dabei so, daß die zweite Pumpe 15 mit einer untersten wirksamen Drehzahl anfährt und entsprechend dem zusätzlichen Leistungsbedarf über den Steuerkreis 21 in ihrer Drehzahl hochgeregelt wird.
• Geht der Wasserbedarf zurück und verringert sich aufgrund dessen die Durchsatzmenge in der Sammelleitung 11, wodurch der Wasserdruck P in der Leitung 11 über den eingestellten Sollwert ansteigt, sc wird die Drehzahl der zweiten Pumpe 15 wieder heruntergeregelt und nach Unterschreiten einer Entnahmemenge Q1 wieder ganz abgeschaltet, worauf nun die Konstanthaitung des Druckes P atlsschließlich wieder von der ersten Pumpe 13 und ihrer zugehörigen Regelschaltung übernommen wird.
• In Fig. 5 ist nun schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Regelteil dargestellt. Dieses Regelteil besteht aus einer Brückenschaltung 31, bei der der aus einem veränderlichen Widerstand bestehende Ist-Wert-Geber 32, der durch ein Manometer 18 gesteuert wird, den einen Zweig in der Brückenschaltung 31 bildet, während der Sollwert durch einen gegebenenfalls einstellbaren zweiten Widerstand in einem Zweig der Brückenschaltung 3r gildet wird. Die Spannungsdifferenz der Brücke wird nun auf einen rachgeschalteten Verstärker 33 gegeben, dessen Ausgang einmal mit einem Leistungsteil 's verbunden ist, der die Speisung des Antriebsmotors der ersten Pumpe 13 mit elektrischer Energie besorgt, und zum anderen mit einem zweiten Regelkreis 35 der zweiten Pumpe 15. Dieser Regelkreis ist analog dem ersten Regelkreis aufgebaut und besitzt ebenfalls eine Brückenschaltung 36, wobei der Istwert nun von dem Ausgang des Verstärkerteils 33 geliefert wird, während der Sollwert wiederum durch einen gegebenenfalls einstellbaren Widerstand in einem Brückenzweig gebildet wird. Die Spannungsdifferenz der Brücke wird ebenfalls auf einen Verstärker 35 gegeben, dessen Ausgang einen Beistungsteil 37 steuert. Weiterhin kann gegebenenfalls der Ausgang auch zur Steuerung eines dritten, nicht dargestellten RegellSreises für eine weitere Pumpe herangezogen werden.
• In-Fig. 6 ist der Spannungsverlauf der Ausgänge der Verstärker 33 bzw. 36 graphisch dargestellt. Der Ausgang des Verstärkers 33 entspricht einer Geraden mit negativer Steigu-ng, die von +5V über Null auf -5V absinkt. Wenn die Spannung am Ausgang des Verstärkers 33 auf Null Volt abgesunken ist, was etwa 85 der Maximalleistung der Kreiselpumpe 13 entspricht, tritt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Regelkreis 35 der zweiten Pumpe 15 in Tätigkeit, dessen Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers 33 verbunden ist. Die Spannung am Ausgang des Verstärkerteils 33 bildet nunmehr den Istwert für die Regelschaltung 35. Dieser Regelteil 35 ist dabei so ausgelegt, daß der Ausgang des Regelkreises 35 erst nachdem der von dem Verstärkerteil 33 gelieferte Istwert eine untere Grenze unterschreitet, beispielsweise Null Volt, der Ausgang des Verstärkerteils 36 des Regelkreises 35, der bis dahin eine Ausgangsspannung von 5 Volt geliefert hat, ebenfalls eine dem von dem Verstärkerausgang 33 gelieferten Istwert proportionalen Verlauf nimmt und damit die Zuschaltung der Pumpe 15 über den von dem Verstärkerteil 36 angesteuerten Leistung teil 37 erfolgt.

Claims (9)

Ansprüche

1. Verfahren zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckes eines in einem offenen Leitungssystem befindlichen, insbesondere inkompressiblen Mediums bei unterschiedlichem Durchsatz desselben in dem Leitungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Pumporgane (13, 15) in einer Kaskade zusammengeschaltet sind, auf eine gemeinsame Sammelleitung (11) wirken und nacheinander entsprechend der Druckabweichung des geförderten Mediums in der Sammelleitung (11) von einem vorgegebenen Sollwert kontinuierlich zu- und abgeschaltet werden, derart, daß die nachfolgende Pumpe (15) erst mit ihrer untersten Leistung einsetzt, wenn die vorausgehende Pumpe (13) ihre Beistungsgrenze ungefähr erreicht hat bzw. die Pumpe (13) in ihrer vollen Leistung erst gedrosselt wird, wenn die Pumpe (15) abgeschaltet worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Sammelleitung (11) herrschende Druck als proportionale elektrische Größe gewonnen und nach einem Ist-Soll-Wertvergleich in einer Regelschaltung zur Steuerung der Leistung der Pumpen (13, 15) über die elektrischen Antriebsmotoren der Pumpen herangezogen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere parallele, durch regelbare Elektromotoren angetriebene Kreiselpumpen (13, 15) eingangsseitig (12, 14) mit einer Eingangssammelleitung (10) und ausgangsseitig (16, 17) mit einer Ausgangssammelleitung (11) verbunden sind und in Abhängigkeit von der Abweichung des Druckes in der Sammelleitung (11) von einem vorgegebenen Sollwert in ihrer Leistung motorseitig geregelt werden, indem der augenblickliche Druck in der Sammelleitung (11) mittels eines Meßwertaufnehmers (18, 19) ermittelt und nach einem Ist-Soll-Wertvergleich in einer Steuerschaltung (20, 21) zur Ansteuerung der elektrischen Antriebsmotoren verwendet wird.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem veränderlichen Widerstand (19) zusammenwirkendes Manometer (18) als Meßwertaufnehmer Verwendung findet.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Meßwertaufnehmers (18, 19) mit dem Eingang eines ersten Reglers (20) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand (19) des Meßwertaufnehmers (18, 19) einen Zweig in einer Brückenschaltung (31) bildet und den Ist-Wert liefert, während der Sollwert durch einen zweiten, gegebenenfalls einstellbaren Widerstand in einem zweiten Brückenzweig gegeben wird.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenz der Brücke (31) auf den Eingang eines Verstärkers (33) gegeben wird, dessen Ausgang mit einem Leistungsteil (34) verbunden ist, der die elektrische Energiezufuhr zu dem Antriebsmotor der ersten Pumpe (13) steuert.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (33) gleichzeitig den den Ist-Wert liefernden Zweig einer zweiten BrückenschFltung (36) bildet und daß die Brücke (36) so abgeglichen ist, daß der dieser Brücke (36) nachgeschaltete Verstärker (35) erst dann Steuerimpulse an den mit seinem Ausgang verbundenen Leistungsteil (37) der zweiten Pumpe (15) liefert, wenn die erste Pumpe (13) mit maximaler Leistung arbeitet.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Verstärkers (35) den den Ist-Wert liefernden Zweig einer weiteren Brückenschaltung in einem dritten Regler für eine dritte parallelgeschaltete Pumpe bildet, wobei diese dritte Brückenschaltung wiederum so abgeglichen ist, daß die dritte Pumpe erst dann den beiden anderen Pumpen (13, 15) zugeschaltet wird, wenn die zweite Pumpe (15) mit maximaler Leistung arbeitet.