DE2916469C2 - Unterwassermotorpumpe - Google Patents

Description

den Bereich des negativen Förderstromes hineinreicht Die Pumpenkennlinie Ctk ι schneidet die Rohrleitungskennlinie bei Bi, Ctk ι stellt die Kennlinie der Kreiselpumpe bei einem bestimmten Konzentrationsverhältnis dar. Die unterhalb der Linie Ctk ι befindlichen weiteren Pumpenkennlinien Ctk2 und Ctk3 stillen Kennlinien dar, bei denen innerhalb der Pumpe eine andere Feststoffkonzentration Ctk vorherrscht

Wie aus der Abbildung hervorgeht schneidet die Linie Ctk ι niiht mehr die Rohrleitungskennlinie C_Tr im Bereich des positiven Förderstromes. Dies ist z. B. der Fall, wenn infolge irgendwelcher Umstände in der Rohrleitung außerhalb der Pumpe eine längere Strecke geringerer Konzentration Ctr vorhanden wäre und die Pumpe kurzfristig eine höhere Konzentration Ctk 3 fordert Die Pumpenkennlinie Ctk ζ schneidet dann die Rohrleitungskennlinie Ctr nicht mehr im Bereich des positiven Förderstromes, sondern im Bereich des negativen Förderstromes, im Punkt By. Das bedeutet also ein Zurückströmen des Fördermediums. Das Wasser kann zwar durch die Pumpe zurückfließen, aber die Festsloffanteile würden infolge der Zentrifugalwirkung im Pumpenlaufrad den Pumpendruckstutzen und die Druckleitung verstopfen.

Die F i g. 2 stellt nun die erfindungsgemäße Lösung dar. Es sind wieder verschiedene Rohrleitungskennlinien Ctr0 bis Ctr* dargestellt, wobei die Kennlinie Ctr0 gleichbedeutend ist mit einer Klarwasserkennlinie und die Kennlinie Ctr* die größte vom Aufgeber am Meeresboden in die Rohrleitung gelieferte Konzentration innerhalb der Rohrleitung darstellt Die Kennlinien Ctr 1 bis Ctr 3 zeigen unterschiedliche Feststoffkonzentrationen innerhalb der Rohrleitung. Geht der Betreiber der Förderanlage von einer bestimmten im Rohrleitungssystem vorherrschenden mittleren Konzentration Ctr 3 aus, dann darf, um ein Zurückfließen der geförderten Feststoffe mit Sicherheit auszuschließen, die jeweilige Pumpenkennlinie die Rohrleitungskennlinie Ctr 3 nur im Bereich des positiven Förderstromes schneiden. Bei einer vorgegebenen Feststoffkonzentration innerhalb des Rohrleitungssystems würde also der Schnittpunkt der Rohrleitungskennlinie Ctr3 mit der Pumpenkennlinie Ctk 3 die Betriebsgrenze im Punkte Bc darstellen. Hier würde also immer noch ein positiver Förderstrom Qc bei einem Druck pe geliefert werden.

Im Normalbetrieb arbeitet die Unterwassermotorpumpe mit ihrer Konzentration Ctk ι in einer Rohrleitung mit der vorherrschenden Konzentration Ctr 3 im Auslegebetriebspunkt ßi. Verändert sich nun die Konzentration innerhalb der Kreiselpumpe von Ctk ι auf Ctk 2, so wandert der Betriebspunkt bei praktisch gleichbleibender Rohrleitungskennlinie Ctr 3 nach B7. Die Feststoffkonzentration innerhalb der Pumpe darf sich dann nur noch auf einem Wert Ctk 3 verändern, um mit Sicherheit einen Betrieb am Grenzbetriebspunkt Bc aufrechtzuerhalten. Würde diese Feststoffkonzentration unterschritten werden, so würde der Betriebspunkt in dem Bereich des negativen Förderstromes überspringen und damit eine Verstopfung der Pumpe und der Druckleitung die Folge sein.

Um diesen Vorgang mit Sicherheit zu vermeiden, muß die größte im Betrieb mögliche Konzentrationsveränderung ACtk, d. h. die größte vom Aufgeber dieses Fördersystems am Meeresboden gelieferte Feststoffkonzentration Ctk m.,\ für die Auslegung der Pumpe zu- b5 grundegelegt werden. Mit Hjeser größten lieferbaren Konzentration Ctr »»», mit den Pumpendaten, mit dem Durchmesser und der jeweiligen Dichte der zu fördernden Mineralien, Erze oder der Manganknoilen läßt sich dann der größte Druckabfall Δρ_κ in der Kreiselpumpe ermitteln. Addiert man diesen Druckabfall Δρ_κ zum Minimaldruck pe der Rohrleitungskennlinie Ctr 3 auf der Betriebsgrenze, d.h. auf den Grenz:betriebspunkt B_c. senkrecht über Qc, so kann man von hier aus eine Pumpenkennlinie nach rechts abfallend bis zum Schnitt mit der Rohrleitungskennlinie Cm 3 eintragen. Dieser Schnittpunkt Si ist dann ein Punkt einer Sicherheitsgrenze, weiche sich als Verbindungslinie aller derjenigen Schnittpunkte ergibt die für andere Konzentrationen Ctr in gleicher Weise konstruiert wurden. In der Figur ist der Abfall der Pumpenkennlinie zwischen der Betriebsgrenze und dem Punkt ß, als Steilheit der Kreiselpumpenkennlinie dp_s, eingetragen.

Die Schnittpunkte S₁, S₂, B₁ und S₄ stellen hier die Sicherheitsgrenze für das gewählte Ausführungsbeispiel dar. B\ ist in diesem Ausführungsbeispiel identisch mit Si. Die Auslegungspunkte der Unterwassermotorpumpe müssen dann also auf oder außerhalb, d. h. rechts von dieser Sicherheitsgrenze liegen, um Verstopfungen des Pumpendruckstutzens infolge zurückfließender Feststoffteile mit Sicherheit zu vermeiden. Je weiter nun aber der Betriebspunkt nach rechts in das Gebiet größerer Förderströme verlagert wird, um so unwirtschaftlicher wird die Förderanlage betrieben. Bedingt ist dies durch die mit dem Förderstrom in den langen Rohrleitungen ansteigende Fördergeschwindigkeit und damit der Erhöhung des Strömungswiderstandes. Es besteht daher ein großes wirtschaftliches Interesse, unter Wahrung der Betriebssicherheit, den Betriebspunkt so dicht wie möglich an die Sicherheitsgrenze zu legen und mittels einer Regelvorrichtung immer wieder auf diese Grenze zurückzuholen. Damit aber wird die Sicherheitsgrenze zugleich zu einer Regelkennlinie. Als ideales Rcgelverfahren erweist sich hier die Drehzahlregelung der Kreiselpumpe, da sie z. B. durch Veränderung der Netzfrequenz einfach zu realisieren ist.

Die F i g. 3 zeigt eine zweite mögliche Regelkennlinie für die Kreiselpumpe. Die optimale Regelkennlinie wäre die, die mit der Sicherheitsgrenze zusammenfällt. Betriebspunkte, die von dieser Regelkennlinie abweichen, werden durch Veränderung der Pumpendrehzahl wieder auf diese Regelkennlinien zurückgeführt. Eine solche optimale Regelkennlinie, die identisch mit der Sicherheitsgrenze ist, und damit das größte Maß an Wirtschaftlichkeit unter Wahrung der notwendigen Betriebssicherheit erreicht, kann durch Vorgabe von Wertepaaren, beispielsweise bestehend aus Förderstrom Q und Pumpendruckdifferenz ρ, ausgesteuert werden. Eine einfachere Regelkennlinie ergibt sich, indem sich eine Linie konstanten Förderstromes Qb bildet. Der obere Begrenzungspunkt dieser Regelkennlinie ist als Schnittpunkt der Sicherheitsgrenze mit der Rohrleitungskennlinie höchster Konzentration Ctr max ausgebildet und bestimmt zugleich die höchste Pumpendrehzahl n_m3i. Diese Regelung ist insofern einfacher, als jede meßbare Abweichung von einem vorgegebenen Förderstrom Qh als Impuls für die Drehzahlregslung benutzt werden kann. Zwangsläufig bedeutet diese einfachere Regelung eine etwas geringere Wirtschaftlichkeit und bedingt eine geringfügige Leistungserhöhung der Anlage.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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oder der druckvermindernde Einfluß des Förderhöhen-Patentansprüche: abfalles infolge der höheren Konzentration, insbesondere bei großen Korndurchmessern oder kleiner spezifi-

t. Sicherheitsregelung für Unterwassermotor- scher Drehzahl der Pumpe überwiegt. Je nach den Umpumpen zur direkten Förderung von Feststoffen, 5 ständen kann sich also bei zunehmender oder bei abnehinsbesondere zum unterseeischen Abbau von Man- mender Feststoffkonzentration die Kreiselp'impenganknollen u.ä, dadurch gekennzeichnet, kennlinie zu kleineren Drücksn hin verändern und dadaß die im Dauerbetrieb arbeitenden Unterwasser- mit auch den Schnittpunkt der Rohrleitungskennlinie in motorpumpen derart ausgelegt sind, daß ihr größter Richtung der Betriebsgrenze zu kleineren Förderströrechnerisch möglicher Druckabfall {Λρκ) infolge von 10 men hin verschieben. Dieses kann bis zum Rückströmen Konzentrationsänderungen des Fördermediums des Wassers und der Feststoffe durch die Rohrleitung nach Abzug der Steilheit der Kreiselpumpenkennli- führen, wobei jedoch das Wasser die Kreiselpumpe nie (äst) in allen Betriebspunkten entlang einer Re- rückwärts durchströmen kann, die Feststoffe wegen der gelkennlinie gleich oder kleiner ist als die Druckdif- Zentrifugalwirkung des Laufrades aber nicht Ein Verferenz zwischen dem Dauerbetriebspunkt (B₁) und 15 stopfen des Pumpendruckstutzens und der Druckleidem kleinsten Druck (P_G) der zugehörigen Rohrlei- tung ist dann die Folge, tungskennlinie (C_Tr) an der BeCriebsgrenze. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein-

2. Sicherheitsregelung nach Anspruch 1, dadurch richtung für Kreiselpumpen der obengenannten Art zu gekennzeichnet, daß diejenigen Betriebspunkte der entwickeln, die beim Betrieb in ihrem Auslegepunkt ei-Pumpe, die infolge von Konzentrationsänderungen 20 ne ständig zuverlässige Förderung gewährleistet und des Fördermediums von der Regelkennlinie abwei- ein Verstopfen der Pumpe vermeidet

chen, durch Veränderung der Pumpendrehzahl wie- Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht

der auf diese Regelkennlinie zurückgeführt werden. vor, daß die im Dauerbetrieb arbeitenden Unterwasser-

3. Sicherheitsregelung nach den Ansprüchen 1 motorpumpen derart ausgelegt sind, daß ihr größter und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Regelkennli- 25 rechnerisch möglicher Druckabfall infolge von Konzennie in vereinfachter Form eine Linie konstanten For- trationsänderungen des Fördermediums nach Abzug derstromes ist, die sich als Schnittpunkt der Sicher- der Steilheit der Kreiselpumpenkennlinie in allen Beheitsgrenze mit der Rohrleitungskennlinie höchster triebspunkten entlang einer Regelkennlinie gleich oder Konzentration ergibt. kleiner ist als die Druckdifferenz zwischen dem Dauer-

30 betriebspunkt und dem kleinsten Druck der zugehöri-

gen Rohrleitungskennlinie an der Betriebsgrenze.

Aufgrund dieser Lösung wird wirkungsvoll ein Verstopfen der Pumpe und damit eine längere Betriebsun-

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsregelung für terbrechung verhindert. Denn in einem derartigen Stör-Unterwassermotorpumpen zur direkten Förderung von 35 fall müßte die Pumpe samt daran befestigter Förderlei-Feststoffen, insbesondsre zum unterseeischen Abbau tung aus mehreren hundert bzw. tausend Metern Wasvon Manganknollen und ähnlichem. sertiefe herausgehoben und instand gesetzt werden. Mit Bei dem unterseeischen Bergbaubetrieb finden zum den üblichen Regeleinrichtungen kann somit trotz stark Transport der abgebauten Mineralien die unterschied- schwankender Feststoffkonzentrationsänderungen der lichsten mechanischen und hydraulischen Förderverfah- 40 Betriebspunkt der Pumpe im Bereich der Regelkennliren Anwendung. Bei der hydraulischen Förderung wird nie gehal'en und eine derartige Störung verhindert werzwischen der indirekten Förderung, bei welcher die For- den.

dersuspension oder auch das Fördermedium mittels Die Ausgestaltung der Erfindung sieht vor. daß dieje-Schleusen oder Rohrkammern auf ein höheres Druckni- nigen Betriebspunkte der Pumpe, die in Folge von Kon-H veau gebracht und damit eine Förderung ermöglicht 45 zentrationsänderungen des Fördermediums von dieser || wird, und zwischen der direkten Förderung der abge- Regelkennlinie abweichen, durch Veränderung der M bauten Rohstoffe unterschieden. Bei der direkten For- Pumpendrehzahl wieder auf diese Regelkennlinie zujfi derung durchströmen die mit Wasser vermischten Fest- rückgeführt werden. Nach einer anderen Ausgestaltung |f stoffe eine entsprechend gestaltete Kreiselpumpe, wel- der Erfindung ist es auch möglich, daß die Regelkennlij§ ehe gewöhnlich als Unterwassermotorpumpe ausgebil- 50 nie in vereinfachter Form eine Linie konstanten Förderin det ist Bei dieser Art von Förderung läßt sich mitunter stromes ist, die sich als Schnittpunkt der Sicherheits-,';: ein Verstopfen der Pumpendruckstutzen mit Feststof- grenze mit der Rohrleitungskennlinie höchster Konzenj| fen nicht vermeiden. tration ergibt.

& Der Betriebspunkt des Fördersystems ergibt sich bei Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den

& einer Auftragung im Druck-und Förderstromdiagramm 55 Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt die

'»;,' als Schnittpunkt zweier Kennlinien: der jeweiligen Wi- F i g. 1 die Erklärung des Betriebsverhaltens einer

ν derstandskennlinie der Rohrleitung, deren Druckverlust derartigen Unterwassermotorpumpe, die

S an ihrer Betriebsgrenze ein Minimum aufweist und an- Fig.2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Lö-

* dererseits der Kreiselpumpenkennlinie. In Abhängig- sung und die

if;. keit von der jeweils im Rohrleitungssystem Vorhände- 60 F i g. 3 die Darstellung einer Regelkennlinie in verein-

'■■'' nen Feststoffkonzentration verändern beide Kennlinien fachter Form für konstanten Förderstrom.

ihre Form. Bei einer ansteigenden Feststoffkonzentra- Die Fig. 1 zeigt ein Diagramm, bei dem über den

tion in der Rohrleitung steigt auch der Druckvcrlust Förderstrom Q der Druckverlust ρ aufgetragen ist. Es

dieser Rohrleitung an. Dagegen kann die Druckdiffe- wird in diesem Diagramm das Betriebsverhalten der

renz der Kreiselpumpe mit zunehmender Feststoffkon- b5 bisherigen Unterwassermotorpumpen aufgezeigt. Die

zentration ansteigen oder abfallen, und zwar je nach- Linie Ctr stellt die Widerstandskennlinie des Rohrlei-

dem, ob der druckerhöhende Einfluß des durch die hö- tungssystems dar, wobei zu beachten ist, daß sie sich bei

here Feststoffkonzentration bedingten Dichteanstieges ihrem Minimum des Förderstromes Qc fortsetzt und in