DE3520538A1

DE3520538A1 - Verfahren und einrichtung zum betrieb einer kreiselpumpe

Info

Publication number: DE3520538A1
Application number: DE19853520538
Authority: DE
Inventors: Bela Dipl.-Ing. Bechtold; Rainer Dipl.-Ing. Meier; Klaus Dipl.-Ing.(FH) Ruthrof; Hans-Jochen Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Wehling
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1986-12-11

Description

Kraftwerk Union - ψ. Unser Zeichen Aktiengesellschaft VPA 85 P 6 0 5 6 DE

Verfahren und Einrichtung zum Betreiben einer Kreiselpumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kreiselpumpe für eine Flüssigkeit mit einem Pumpengehäuse und mit einem drehzahlregelbaren elektromotorischen Antrieb sowie mit einer Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen, die mindestens einen Sensor zur Feststellung von Kavitationserscheinungen der Flüssigkeit aufweist, wobei elektrische Signale des Sensors auf den Antrieb einwirken. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine zur Ausübung des Verfahrens besonders geeignete Einrichtung.

Nach der deutschen Offenlegungsschrift 32 36 815 wird als Sensor auf der Druckseite der Kreiselpumpe eine Metallmembran mit Foliendehnungsmeßstreifen angebracht. Ihr Ausgang ist über einen Mikroprozessor mit einem Frequenzumformer verbunden, der einen regelbaren Drehzahlmotor zum Antrieb der Pumpe steuert. Einzelheiten der Steuerung sind jedoch offengelassen, gerade hierin liegen aber schwierige Probleme, wenn Kavitationserscheinungen vermieden und dennoch ein maximaler Durchsatz erreicht werden soll.

Die Erfindung geht demnach von der Aufgabe aus, ein Verfahren zum Betreiben einer Kreiselpumpe in der eingangs geschilderten Art so fortzubilden, daß mit geringem Aufwand ein optimal großer Durchsatz erreicht wird und dennoch Kavitationserscheinungen vermieden sind, wie sie in der genannten Offenlegungsschrift ausführlich behandelt werden.

Sm 2 Bim / 05.06.1985

-JSr- VPA 85 P 6 0 5 6 OE

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß ein der Größe der Kavitationserscheinungen korrelierbares elektrisches Kavitationssignal mit einem Vergleichssignal verglichen wird, das mit einem einstellbaren Signalgeber erzeugt wird und daß in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Kavitationssignal und dem Vergleichssignal die Drehzahl des elektromotorischen Antriebs verringert wird.

Bei der Erfindung wird mit dem Vergleichssignal eine Stellmöglichkeit geschaffen, die Störeinflüsse aus der Umgebung der Kreiselpumpe berücksichtigt. Zu solchen Störeinflüssen zählen z.B. benachbarte Pumpen, die gegebenenfalls auch parallel arbeiten können, Lagergerausche usw.. Zu diesem Zweck kann der Signalpegel des Vergleichssignals vorteilhaft über einem Grundrauschen der Kreiselpumpe liegen. Außerdem kann das Vergleichssignal zur Vorgabe einer Solldrehzahl benutzt werden, die die betrieblichen Gegebenheiten berücksichtigt. Z.B.

kann die Solldrehzahl die Art der Flüssigkeit, die Förderhöhe, die Temperatur usw. berücksichtigen.

Die Erfindung kann vorteilhaft so weitergebildet werden, daß die Drehzahl der Kreiselpumpe nach dem Verschwinden des Kavitationssignals erhöht wird. Dies geschieht insbesondere halb so schnell wie die Verringerung der Drehzahl. Im allgemeinen können aber noch geringere Steigerungsraten vorteilhaft sein, z.B. kann die Drehzahl bei der Erhöhung um weniger als 1/10 der Drehzahlerniedrigung verändert werden. Mit dieser ständigen Drehzahländerung ergibt sich ein Betriebsverhalten, das man sich grafisch als Zackenkurve, z.B. Sägezahnkurve,unterhalb der Kavitationsgrenze vorstellen kann, die ihrerseits ebenfalls variabel ist.

- Y- VPA 85 P 6 0 5 6 OE

Mit dem neuen Verfahren kann man sich betrieblichen Änderungen im Prinzip eng anpassen. Es kann aber auch im Hinblich auf eine gleichmäßige Betriebsführung zweckmäßig sein, einen gewissen Abstand von Kavitationserscheinungen dadurch einzuhalten, daß die Zahl der Drehzahlverringerungen pro Zeiteinheit mit einem Zählwerk erfaßt wird, und daß der unter Drehzahlwert dann für eine längere Zeit beibehalten wird.

Der Signalpegel des Vergleichssignals kann zum einen so benutzt werden, daß der Abstand gegenüber dem Auftreten der Kavitation minimiert wird. Man kann aber auch andererseits bei einem in weiten Grenzen veränderbaren Grundrauschen gegenüber diesem einen festen Signalabstand einhalten.

Als Sensor wird bei der Erfindung insbesondere ein Schallaufnehmer verwendet. Solche Schallaufnehmer sind in Form von Körperschallaufnehmern bekannt und mit einer guten Empfindlichkeit auch bei höheren Frequenzen geeignet. Vorzugsweise werden Schallaufnehmer für Freuqenzen von mehr als 10 kHz verwendet. Dies sind höhere Frequenzen als mit den bekannten Druckmembranen erreichbar sind. Wegen der größeren Empfindlichkeit und Frequenzselektivität kann man mit einem solchen Sensor auch Frequenzbänder aufnehmen, in denen dann mit nachgeschalteten Filtern bestimmte Frequenzen für das Kavitationssignal ausgewählt werden. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil man damit Störgeräusche mit anderen Frequenzen ausschließen kann.

Als Einrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach der Erfindung hat sich wegen besonderer Einfachheit und dennoch guter Einstellbarkeit bewährt, daß der Sensor mit einem «Impulsformer als Impulsgeber ausgebildet ist, daß der Signalgeber ein impulsliefernder Oszillator ist und

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daß für den Vergleich ein Zählwerk mit einstellbarer Zählzeit vorgesehen ist. Der Impulsformer, der insbesondere Rechteckimpulse liefert, kann auch von dem einem Sensor nachgeschalteten Filter gespeist werden, um z.B. die Triggerschwelle des Impulsformers an sich ändernde Störsignalpegel anzupassen. In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Erfindung in digitalisierter Weise mit einem Mikroporzessor verwirklicht wird. Dieser Mikroprozessor kann dann auch Vorgaben für unterschiedliche Verfahrenswerte gespeichert haben, so daß mit wenigen Stellmöglichkeiten eine gute Anpassung an unterschiedliche Betriebsverfahren möglich ist.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand der Zeichnung drei Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen die Fig. 1,3 und 5 schematisch eine Kreiselpumpe, die mit einer Regeleinrichtung zur Vermeidung von Kavitationen gemäß der Erfindung versehen ist. Die Fig. 2,4 und 6 zeigen zugehörige Betriebskennlinien. In Fig. 7 ist eine Einrichtung zur Vermeidung von Störeinflüssen dargestellt.

Die Pumpe 1 ist eine Kreiselpumpe in einer nicht weiter dargestellten Verdampferanlage. Sie hat eine Förderleistung von z.B. 10 000 l/h bei einem Förderdruck von z.B. 1,5 bar. Ihre Saugseite 2 steht mit einem Flüssigkeitsbehälter 3 in Verbindung. Die darin befindliche Flüssigkeit 4 kann z.B. Milch sein, die in einem Verdampfungsvorgang mit den nicht dargestellten Verdampfern zu Trockenmilch verarbeitet werden soll. Der bei 5 angedeutete Flüssigkeitsspiegel schwankt, wie durch die Pfeile 6 bezeichnet ist. Die Druckleitung 8 der Pumpe ist mit einem Ventil 9 versehen, über das, wie der Pfeil 10 zeigt, die Flüssigkeit 4 zu einem Verdampfer gefördert wird.

- Jär - VPA 85 P 6 0 5 6 OE

Die Welle 12 der Pumpe 1 ist über eine Kupplung 14 mit einem Gleichstrommotor 15 von z.B. 5 kW gekuppelt. Er wird über eine regelbare Gleichspannungsversorgung 16 gespeist, die mit der Leitung 17 an ein Drehstromnetz angeschlossen ist. Die Gleichspannungsversorgung arbeitet z.B. mit Thyristoren mit Anschnittsteuerung.

Da die Flüssigkeit 4 im Hinblick auf die gewünschte Verdampfung ohnehin fast die zur Verdampfung führenden Parameter Druck und Temperatur aufweist, ist die Vermeidung von Kavitationserscheinungen ein schwieriges Problem. Erfindungsgemäß wird die Kreiselpumpe 1 mit einer Regeleinrichtung 20 betrieben, die auf die Pumpendrehzahl ausgerichtet ist, weil diese den örtlichen Druck im Pumpengehäuse 19 beeinflußt. Es können aber auch andere Parameter geändert werden, z.B. die Öffnung des Ventils 9, die ebenfalls auf den Druck einwirkt, oder der durch den Flüssigkeitsspiegel 5 gegebene Vorlaufdruck.

Die Regeleinrichtung 20 umfaßt einen Sensor 21 für Kavitationserscheinungen, der insbesondere in Form eines Körperschallaufnehmers ausgebildet ist. Körperschallaufnehmer sind bekanntlich auf Beschleunigungen, d.h. Erschütterungen entsprechender Einrichtungen, die mit hohen Frequenzen arbeiten können. Der Sensor 21, der am Gehäuse 19 der Pumpe gezeichnet ist, der aber auch am Ansaugstutzen 2 oder am Druckstutzen 8 sitzen könnte, hat z.B. ein Auflösungsvermögen bis zu Frequenzen von 15 kHz. Damit werden Druckstöße oder Flüssigkeitspulsationen erfaßt, die beim Betrieb der Kreiselpumpe 1 infolge von Kavitation auftreten. Im Prinzip kann die Erfindung aber auch mit anderen Sensoren, z.B. auch Druckaufnehmern mit einer sehr hohen Grenzfrequenz (^3 kHz), Dehnungsaufnehmern, die gegebenenfalls unmittelbar am Pumpengehäuse sitzen, oder dergleichen verwirklicht werden.

-J^- VPA B5 P 6 0 5 6 OE

Die Signale des Sensors 21 sind in der Fig. 2 als Schwingungen S um die Zeitachse t als Abszisse dargestellt. Diese Signale werden über die Leitung 22 zu einem Vorverstärker 23 gegeben. Der Vorverstärker 23 speist einen Impulsformer 24, mit dem Rechteckimpulse erzeugt werden. Die Rechteckimpulse werden in einem Zählwerk 25 für bestimmte Zeiten aufsummiert. Die Zählzeiten At werden mit einem einstellbaren Zeitgeber 27 vorgegeben.

Der Ausgangswert des Zählwerks 25 wird über ein Filter 30 mit der übertragungsfunktion 31 als Maß für die Kavitation in der Kreiselpumpe 1 mit negativem Vorzeichen auf ein als Additionspunkt dargestelltes Summierglied 32 gegeben. Dort wird er zu einem Vergleichssignal addiert, das von einem einstellbaren Impulsgeber 34 über einen Zeitschalter 35 zugeführt wird. Die Schließzeit des Kontaktes 36 des Zeitschalters 35 ist mit T bezeichnet.

Entsprechend der Differenz zwischen dem Kavitationssignal S und der Impulszahl des Impulsgebers 34 wird in einem Integralregler 37 ein digitales Signal 38 erzeugt. Dem Integralregler 37 kann ferner von einem Spannungsgeber 39 eine Spannung Δ U aufgeschaltet werden. Dabei ist zwischen dem Spannungsgeber 39 und dem Regler 37 ein Schalter 40 vorgesehen. Er wird über ein Anregungsglied a betätigt, dessen Arbeitszeitpunkt in Fig. 2 bezeichnet ist.

Das Ausgangssignal des Reglers 37 wird dann über einen Digital-Analogwandler 42 auf die Spannungsversorgung des Motors 15 gegeben, so daß dessen Spannung und damit die Drehzahl in Abhängigkeit vom Kavitationssignal S entsprechend Fig. 2 geändert wird.

_ J - VPA 85 P 6 0 5 6 OE

Im oberen Teil der Fig. 2 ist das Kavitationssignal S über der Zeitachse t dargestellt. Man erkennt in dem Kurvenzug 50 die einzelnen Kavitationssignalspitzen 52, die im Impulsformer 24 zu Rechtecksignalen umgeformt werden. Bei dem mit dem Anfang des Kurvenzuges 50 dargestellten Betrieb ist die Zahl der Impulse so groß, daß die Drehzahl der Pumpe 1 zur Verringerung der Kavitation herabgesetzt werden soll. Das im unteren Teil der Fig. 2 dargestellte Diagramm der Motorsollspannung U ,-, über der Zeit t läßt deshalb erkennen, daß die Sollspannung des Motors 15 von einem Anfangswert A entsprechend dem Kurventeil 54 abgesenkt wird.

Im Zeitpunkt t·, ist die untere Grenze des Kavitationsbetriebes erreicht, denn das Kavitationssignal S ist praktisch zu Null geworden. Jetzt wird vom Anregeglied a durch die Betätigung des Schalter 40 noch einmal eine Drehzahlabsenkung entsprechend dem Spannungswert 4 U vorgenommen. Mit diesem verringerten Spannungswert B und der daraus resultierenden Motordrehzahl läuft der Betrieb dann für die Betriebsdauer T weiter, die mit dem Zeitrelais 35 bestimmt ist. Im Gegensatz zur Darstellung der Fig. 2 kann diese Zeit wesentlich größer sein und insbesondere 10, 20 oder mehr Minuten betragen. Generell hängt die Dauer der Zeit T von den zu erwartenden Änderungen der Betriebsparameter ab, die für die Kavitation maßgebend sind.

Am Ende der Betriebsdauer T schließt der Schalter 36. Der auf den Regler 37 arbeitende Impulsgeber 34 führt deshalb zu einem Anstieg der Sollspannung für den Motor 15, wie durch den Kurventeil 55 angedeutet ist.

Die entsprechende Erhöhung der Drehzahl führt erneut zu Kavitationsspitzen 52. Deshalb wird die Motordrehzahl

- X - VPA 85 P 6 0 5 6 OE über eine Absenkung der Motorspannung erneut herabgesetzt, wie mit dem Kurventeil 56 dargestellt ist. Mit dem Aufhören des Kavitationssignals wird dann wiederum die Drehzahl um den durch den Spannungsunterschied A U ausgedrückten Wert abgesenkt.

Der Spannungswert C, der durchaus vom Wert B verschieden sein kann, soll dann für die Zeit T erneut beibehalten werden. Im Zeitpunkt t₂, also noch vor dem Ende der Betriebsdauer T, tritt jedoch erneut Kavitation auf, wie durch die Spitzen 52 angedeutet ist. Diese Kavitation kann z.B. darauf zurückzuführen sein, daß mit dem Entleeren des Behälters 3, also dem Absinken der Zulaufhöhe entsprechend dem Spiegel 5, der Flüssigkeitsdruck auf der Saugseite absinkt. Das erneute Auftreten des Kavitationssignals S führt zu einer sofortigen Absenkung der Sollspannung U, entsprechend dem Kurventeil 58. Die Absenkung wird fortgesetzt, bis das Kavitationssignal verschwindet. Dann wird, was nicht mehr dargestellt ist, die Spannung für einen stabilen Betrieb mit konstanter Spannung erneut um den Wert AU abgesenkt.

Wie vorstehend dargelegt ist, wird mit der Erfindung erreicht, daß die Pumpe ohne Eingriff von Hand in einem vorgegebenen Bereich unterhalb von Kavitationserscheinungen arbeitet. Dabei kann die kavitationsfreie Betriebsdauer T durch die Genauigkeit der Erfassung von Kavitationssignalen, aber auch durch die Größe des Spannungswertes ^U zur Erreichung optimaler Betriebsbedingungen gestaltet werden. Jedenfalls ist der kavitationsfreie Betrieb für den weitaus größten Teil der Laufdauer der Pumpe gewährleistet, ohne daß, wie bei bisherigen Handregelungen oder bei Regelungen über niederfrequente Druckaufnehmer ein zu großer Sicherheitsabstand von dem die Förderung begrenzenden Kavitationszustand eingehalten werden muß.

VPA 85 P 6 O 5 6 OE

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Dabei sind die mit den Figuren 1 und 2 übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es handelt sich um die Pumpe 1, die mit ihrem Saugstutzen 2 an den Behälter 3 angeschlossen ist. Die Flüssigkeit 4 aus dem Behälter 3, die den Flüssigkeitsspiegel 5 aufweist, wird von der Pumpe 1 angesaugt, so daß sich der Flüssigkeitsspiegel ändert, wie durch den Pfeil 6 angedeutet ist. Die Flüssigkeit wird durch das Druckrohr 8 der Pumpe über ein Ventil 9 in Richtung des Pfeiles 10 gefördert, z.B. zu einem nicht weiter dargestellten Verdamper einer Eindampfungseinlage.

Die Antriebswelle 12 der Pumpe ist über die Kupplung 14 mit dem Gleichstrommotor 15 verbunden, der über eine Spannungsversorgung 16 eine regelbare Gleichspannung erhält. Die Spannungsversorgung 16 liegt über ein Drehstromkabel 17 an einem geeigneten Netz.

Die Drehzahl der Pumpe 1 wird mit einer Regeleinrichtung 60 zur Vermeidung von Kavitation geregelt. Dazu gehört, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zur Erfassung von Kavitation ein Körperschallsensor 21 am Gehäuse 19 der Pumpe 1. Der in bekannter Weise ausgebildete Körperschallsensor ist für Frequenzen von mindestens 10 kHz ausgelegt, damit die untere Grenze von Kavitationserscheinungen genau erfaßt werden kann. Der Körperschallaufnehmer 21 ist über eine Leitung 62 mit einem Vorverstärker 63 verbunden. Dieser speist einen mit einer Doppelweggleichrichtung ausgebildeten Effektivwertbildner 64. Dem Effektivwertbildner 64 ist ein Filter 65 nachgeschaltet. Dies ist ein Tiefpaßfilter für Frequenzen im Bereich von 2 bis 10 Hz.

Das vom Filter 65 gelieferte Analogsignal geht über eine Additionsstelle 68 zu einem Filter 70 mit Tiefpaßeigenschaft. Dieser speist eine weitere Additionsstelle 72

- ±θ - VPA 85 P 6 0 5 6 DE

mit dem negativen Wert des Analogsignals. Auf die Additionsstelle wird ferner von einem Geber 73 ein sogenannter Grundpegelwert eingegeben. Dies ist ein Wert, der für den kavitationsfreien Zustand der Pumpe 1 eine Mindestdrehzahl vorgibt. Ein weiterer Signalgeber 75 liefert eine die Spannungsänderung der Regeleinrichtung bestimmende Spannungsdifferenz dU auf die Additionsstelle 72, wenn der in der Leitung 76 liegende Kontakt 77 eines Zeitschalters 78 geschlossen ist. Der Zeitschalter 78 wird beim Ansprechen eines mit 19 bezeichneten Anregegliedes a ausgelöst und bleibt dann für eine Zeit T geöffnet.

Der Additionswert des Additionspunktes 72 geht in einen Integral-Regler 81. Dieser wird auch von einem Geber 82 über einen Kontakt 83 beaufschlagt, der von dem gleichen Anregeglied a betätigt wird. Der Geber 82 liefert eine Spannung A^ mit dem gleichen Vorzeichen wie der Ausgang des Filters 70. Der Regler 81 steuert dann die Spannungsversorgung 16 des Motors 15.

In Fig. 3 ist noch gestrichelt dargelegt, daß zur Regelung des kavitationsfreien Arbeitens der Pumpe 1 auch das sogenannte Grundrauschen der Pumpenanordnung erfaßt werden kann, um Störungen der Regelung zu vermeiden. Dazu dient ein Sensor 85, vorzugsweise ebenfalls in der Form eines Körperschallaufnehmers. Der Sensor 85 ist einem Lager der Pumpenwelle 12 zugeordnet und über eine Leitung 86 mit einem Vorverstärker 87 verbunden. Dessen Ausgangswert wird in einem Effektivwertbildner 88 weiter umgeformt und über eine Filterkette mit den Filtern 89 und 90 als Referenzsignal auf den Additionspunkt 68 gegeben.

in Fig. 4 ist in zwei zugeordneten Diagrammen das Kavitationssignal S und die von diesem abhängende Motordrehzahl N der Pumpenwelle jeweils über der Zeit t

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dargestellt. Man erkennt, daß bei Kavitationserscheinungen, die der Kurvenzug 50 bei 52 andeutet, die die Motordrehzahl bestimmende Sollspannung U ,, des Motors entsprechend dem Kurvenzug 94 heruntergeregelt wird. Damit wird die Kavitation verringert.

Im Zeitpunkt t, ist mit der gewünschten Sicherheit, z.B. durch ein genügend langes Zeitintervall, festgestellt, daß keine Kavitationserscheinungen vorliegen. Deshalb bewirkt das Anregeglied a durch Schließen des Kontaktes 83 eine Verringerung der Sollspannung um,4U. Dies entspricht einer Drehzahlverringerung um z.B. 3Si der zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Drehzahl von z.B. 2000 Umdrehungen. Die Drehzahlverringerung im Zeitpunkt t, beträgt damit 60 Umdrehungen. Mit dieser Drehzahl von 1940 Umdrehungen läuft die Pumpe dann für eine Betriebsdauer T, die durch das Zeitrelais 78 mit dem Kontakt 77 vergeben wird.

Am Ende der Betriebsdauer T wird durch Aufschalten der Spannungsquelle 75 die Sollspannung und damit die Drehzahl entsprechend dem Kurvenabschnitt 96 hochgeregelt. Dabei treten im Zeitpunkt t₂ wieder Kavitationserscheinungen auf. Sie führen zu einer Spannungs- und Drehzahlverringerung entsprechend dem Kurventeil 97. Mit dem Verschwinden der Kavitationssignale zum Zeitpunkt t, wird die Spannung wiederumg um Au und damit die Drehzahl wiederum um ca. 3% verringert. Das Zeitrelais 78 sorgt für eine konstante Drehzahl für die Betriebsdauer T.

Im Zeitpunkt t* zeigen sich jedoch wieder Kavitationssignale 52. Dies kann z.B. daran liegen, daß der Saugdruck mit abnehmendem Flüssigkeitsspiegel 5 im Behälter 3 verringert ist. Ein anderer Grund kann darin bestehen, daß die Temperatur der Flüssigkeit 4 erhöht ist. Jedenfalls wird wegen des Kavitationssignals vor dem Ende der

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Betriebsdauer T die Sollspannung und die Motordrehzahl entsprechend dem Kurvenzug 98 abgesenkt. Im Zeitpunkt t₅ sind die Kavitationssignale verschwunden. Die Spannung wird um-AU und die Drehzahl um 3% abgesenkt. Dieser Drehzahlwert wird für die Betriebsdauer T beibehalten. Danach kann entsprechend dem Kurvenstück 99 die Drehzahl erhöht werden, um kurzzeitig den Abstand der in der Betriebsdauer T gehaltenen Drehzahl von der dem Kavitationsbeginn entsprechenden Drehzahlgröße so klein wie möglich zu machen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Dabei zeigt die Figur 5 eine Pumpe mit einem erfindungsgemäßen Regelkreis. In Figur 6 sind in drei zugeordneten Diagrammen Arbeitskennlinien der Regeleinrichtung über der Zeit darstellt.

Die Kreiselpumpe 100 ist mit ihrer Saugleitung 101 an einen Flüssigkeitsbehälter 102 angeschlossen. Der Behälter 102 dient als Sammler für die Flüssigkeit 103 einer Verdampferanlage. Die Flüssigkeit kommt aus einer Leitung 105 von einer ersten Verdampferstufe. Sie wird über die Druckleitung 106 der Pumpe, in der ein Ventil

107 angeordnet ist, zu einer weiteren Verdampferstufe gefördert. Deshalb ändert sich der Flüssigkeitsspiegel

108 im Behälter 102, wie durch den Pfeil 109 angedeutet ist.

Die Pumpe 100 wird über eine Kupplung 110 von einem drehzahlregelbaren Drehstrommotor 111 angetrieben. Dazu wird ein Drehstrom regelbarer Frequenz von einem Frequenzumformer 112 geliefert, der mit einer Drehstromleitung 113 vom Netz gespeist wird.

Die Drehzahl der Pumpe 100 wird mit einer Regeleinrichtung 120 geregelt. Sie umfaßt einen^örperschallaufnehmer 121 als Sonde für Kavitationsgeräusche, die in der

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Pumpe oder in deren Leitungen auftreten. Die Signale der Sonde 121 gehen über eine Leitung 122 zu einem Vorverstärker 123. Von dem Vorverstärker 123 wird ein Schmitt-Trigger 124 angestoßen. Die von diesem ausgehenden Impulse werden in einem Zählwerk 125 gezählt. Die Zählzeiten werden von einem Zeitglied 126 einstellbar vorgegeben.

Das Zählwerk 125 speist einen Mikroprozessor 130, der durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Er umfaßt einen Eingangsschalter 131. Der Schalter führt zu einer Additionsstelle 132. Dort wird die Zahl der eingehenden Impulse mit der als Parameter eingegebenen zulässigen Impulszahl eines Gebers 133 verglichen, der über eine Zeitsteuerung 135 mit einem Kontakt 136 oder durch geeignete Software wirksam gemacht wird. Die Zeitsteuerung 135 hat ein festes Impuls-Pausen-Verhältnis, wie in der Zeichnung angedeutet ist. Die Impulszeit TV beträgt z.B. einige Sekunden. Die Pausenzeit T„ liegt dagegen im Minutenbereich.

Parallel zum Additionspunkt 132 liegt ein übertrager 140, mit dem eine nicht lineare übertragung eingehender Impulse vorgenommen wird, und zwar auch in den Pausenzeiten T_ft. Die im Punkt 141 vorliegenden Impulse werden dann mit Hilfe der Rückführung 142 digital integriert. Das Integral der Impulse kommt über den Kontakt 144 in einen Speicher 145.

Der Ausgang des Speichers 145 führt aus dem Mikroprozessor 130 zu einem Digital-Analog-Wandler 146. Dieser gibt über die Leitung 147 die Sollfrequenz für den Frequenzwandler 112 und damit die Drehzahl des Motors 111 vor.

- ■£* - VPA 85 P 6 0 5 6 DE

Das oberste Diagramm 150 in der Figur 6 zeigt die im Zählwerk 125 anfallenden Impulse I über der Zeit. Die Dichte der Impulse ist der Kavitation proportional, und zwar auch in den Pausenzeiten T„.
5

Die dem Diagramm 150 zugeordnete, darunter liegende Kurve 151 zeigt die Abfragung der Impulszahlen mit Hilfe der Zeitsteuerung 135. Der abgefragte Wert kann mit einer zulässigen Impulszahl verglichen werden, die durch den Impulsgeber 133 vorgegeben wird und z.B. einem praktisch kavitationsfreien Betrieb entspricht.

Im Diagramm 152 ist die für den Frequenzumformer 112 vorgegebene Sollfrequenz in Abhängigkeit von den Impulsen als Kavitationsmaß aufgetragen. Man erkennt, daß die im·ersten Intervall TV gezählten Impulse eine Kavitation anzeigen, die durch eine Drehzahlverringerung beseitigt werden soll. Deshalb wird entsprechend dem Kurvenabschnitt 153 die Sollfrequenz verringert. Diese Verringerung der Frequenz wird während der anschließenden Betriebszeit T« fortgesetzt, bis keine Kavitationsimpulse mehr anstehen. Die Kavitation ist dann vollständig beseitigt, wie das Diagramm 150 erkennen läßt.

Im nächsten Zeitintervall T_E wird die Drehzahl durch eine Steigerung der Sollfrequenz erhöht, wie der Kurvenabschnitt 154 zeigt. Deshalb beginnt erneut eine sich mit dem Auftreten von Impulsen abzeichnende Kavitation. Im Zeitintervall TL· wird die Sollfrequenz nach 155 verringert bis zum kavitationsfreien Betrieb. Tritt dennoch im Zeitpunkt t. Kavitation auf, z.B. dadurch entstanden, daß das Ventil 107 weiter geöffnet und damit der Druck in der Pumpe verringert worden ist, dann wird aufgrund der sich häufenden Impulse im Diagramm 150 bei t, die Sollfrequenz entsprechend dem Kurvenzug 156 verringert. Die Impulse gehen auf Null zurück. Im nächsten Zeitintervall TV wird die Sollfrequenz dann entsprechend dem

- JA - VPA β ρ ₆ ο 5 6 DE

Kurvenabschnitt 157 wieder erhöht, um die Grenze der Kavitation festzustellen. Am Ende dieses Zeitintervalls wird die Sollfrequenz entsprechend dem Kurvenzug 158 wieder auf einen Wert für kavitationsfreien Betrieb verringert.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß mit der neuen Regeleinrichtung 120 die Pumpe 100 optimal, d.h. mit maximaler Drehzahl direkt unterhalb der Grenze der Kavitation gefahren wird. Kavitationsbedingungen werden nur durch eine kurzzeitige Drehzahlerhöhung angesteuert, um den Abstand der Betriebsparameter unterhalb der Werte der Kavitation so klein wie möglich zu halten. Dabei führen Betriebsparameter, wie der Druck oder die Temperatur, die ebenfalls Kavitationsbedingungen beeinflussen, trotz der festen Taktzeiten TV, T« sofort zu einer Drehzahlverringerung, wenn Kavitation auftritt.

An der Druckleitung 106 der Pumpe ist in gestrichelter Darstellung eine Einrichtung 159 angeordnet, die das sogenannte Grundrauschen oder andere Störsignale erfassen soll, die Kavitationssignale verfälschen können. Dabei kann es sich um Lagergeräusche, Rohrschwingungen oder dergleichen oder auch um Kavitation in benachbarten und ggf. parallel laufenden Pumpen handeln.

In Figur 7 ist dargestellt, wie das für die Kavitation in einer bestimmten Pumpe maßgebende Signal von Hintergrundgeräuschen unterschieden werden kann, um eine eindeutige Erfassung der lokalen Kavitation sicherzustellen. Die zu regelnde Pumpe 160 ist mit ihrer Saugleitung 161 an einen Behälter 162 angeschlossen, dessen Zufluß über eine Leitung 163 erfolgt. Die Leitung 163 kommt z.B. von einem nicht dargestellten Verdampfer. Zu einem solchen führt auch die Leitung 164, die über ein Ventil 165 an den Druckstutzen 166 der Pumpe 160 angeschlossen ist.

VPA 85 P 6 0 5 6 OE

An dem Gehäuse 167 der Pumpe 160 sitzt ein erster Sensor 168, vorzugsweise in Form eines Körperschallaufnehmers, um Kavitationserscheinungen im Pumpengehäuse festzustellen. Je ein weiterer gleicher Sensor 169 und 170 ist an den Leitungen 161 und 164 vorgesehen.

Die Leitungen 171, 172 und 173 der Sensoren 168, 169 und 170 führen über Vorverstärker 175 zu Schmitt-Triggern 176; die von diesen kommenden Impulse werden über logisehe Glieder einer Auswertungslogik 177 weiter verarbeitet .

Die Impulse des Sensors 168 gehen auf ein Ausgangs-UND-Glied 178 und gleichzeitig parallel an diesem vorgeschalteten UND-Glieder 179. Die UND-Glieder 179 sind außerdem über Laufzeitglieder 180 mit den Schmitt-Triggern 176 der weiteren Sensoren 169 und 170 verbunden. Die Verbindung 181 zwischen den UND-Gliedern 179 und dem UND-Glied 178 enthält eine Negierung, wie bei 182 angedeutet ist.

Die Auswertungsschaltung 177 arbeitet folgendermaßen: Beim Auftreten von Kavitaitonserscheinungen ausschließlich im Bereich des Pumpengehäuses 167 gehen Kavitationssignale des Sensors 168 einmal unmittelbar in das UND-Glied 178. Die von dem Sensor 168 parallel angeregten anderen UND-Glieder 179 liefern kein Signal. Aufgrund der Negierung 182 wird dies als positives Signal auf das UND-Glied 178 gegeben. Somit erscheint am Ausgang 186 des UND-Gliedes 178 das gewünschte Signal des Sensors 168 an der Pumpe 160.

Werden z.B. von dem Sensor 170 Kavitationsgeräusche oder mit diesen verwechselbare Störgeräusche erfaßt, die auch am Sensor 168 an der Pumpe wirksam werden, so wird der positive Durchgang der UND-Glieder 179 durch die Negation 182 zunichte gemacht. Deshalb kann das UND-Glied

- t^ - VPA 85 P 6 O 5 6 OE

178 kein Nutzsignal liefern. Das gleiche gilt für das Auftreten von Störsignal- oder Kavitationsgeräuschen in der Leitung 161, die mit dem Sensor 169 empfangen werden.

Mit den Zeitgliedern 180 wird beim gleichzeitigen Ansprechen der Sensoren 168, 169 und 170 dafür gesorgt, daß die Laufzeiten von Schallgeräuschen zwischen den Sensoren berücksichtigt werden. Damit ist sichergestellt, daß wirklich nur Impulse ausgeblendet werden, die auf das gleiche im Pumpensystem laufende Schallereignis zurückgehen. Die Laufzeit T ist dabei durch die Länge des Schallweges, also dem längs der Leitungen gemessenen Abstand zwischen den Sensoren 168, 169 und 170, und durch die Schallgeschwindigkeit in den Leitungen bestimmt.

15 Patentansprüche
7 Figuren

- Leerseite -

Claims

ζ VPA 85 P 6 0 5 6 -OE Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Kreiselpumpe für eine Flüssigkeit mit einem Pumpengehäuse und mit einem drehzahlregelbaren elektromotorischen Antrieb sowie mit einer Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen, die mindestens einen Sensor zur Feststellung von Kavitationserscheinungen der Flüssigkeit aufweist, wobei elektrische Signale des Sensors auf den Antrieb einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Größe der Kavitationserscheinungen korrelierbares elektrisches Kavitationssignal mit einem Vergleichssignal verglichen wird, das mit einem einstellbaren Signalgeber erzeugt wird und daß in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Kavitationssignal und dem Vergleichssignal die Drehzahl des elektromotorischen Antriebs verringert wird, bis das Kavitationssignal verschwindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Vergleichssignal erzeugt wird, dessen Signalpegel über einem Grundrauschen der Kreiselpumpe liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Kreiselpumpe nach dem Verschwinden des Kavitationssignal im Verhältnis zur Verringerung der Drehzahl höchstens halb so schnell stetig erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehzahl bei der Erhöhung um weniger als ein Zehntel der Drehzahlerniedrigung verändert wird.

- JrT - VPA 85 P 6 0 5 6 OE

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Drehzahlverringerungen pro Zeiteinheit mit einem Zählwerk erfaßt wird, und daß der untere Drehzahlwert dann für eine längere Zeit beibehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalpegel des Vergleichssignals auf einen festen Signalabstand vom Grundrauschen verstellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Schallaufnehmer verwendet wird, der vorzugsweise für Frequenzen von mehr als 10 kHz ausgelegt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß mit einem dem Sensor nachgeschalteten Filter bestimmte Frequenzen für das Kavitationssignal ausgewählt werden.

9. Einrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (121) mit einem Impulsformer (124) als Impulsgeber ausgebildet ist, daß der Signalgeber ein impulsliefernder Oszillator (133) ist und daß für den Vergleich ein Zählwerk (132) mit einstellbarer Zählzeit (135, 136) vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (133) Teil eines Mikroprozessors (130) ist und daß der Mikroprozessor noch mindestens einen Regler (142), insbesondere einen Integralregler, und einen Speicher (145) umfaßt.

- 2U - VPA 85 P 6 0 5 6 OE

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekekennzeichnet , daß der Mikroprozessor (130) mindestens eine Zeitstufe (135, 136) zur Ansteuerung von sich wiederholenden Regelvorgängen umfaßt.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (130) mehreren Sensoren (121, 159) zur Feststellung von Kavitationserscheinungen im Zeitmultiplex zugeordnet ist.