DE3590605C1 - Einrichtung zum Daempfen von Schwingungen in geschlossenen Fluessigkeitsfoerdersystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen in einem geschlossenen Flüssigkeitsfördersystem, in welches eine Umwälzpumpe zwischen einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung eingeschaltet ist und welches mit einer an einer dieser Leitungen angeschlossenen Einrichtung versehen ist, durch welche der Druck im Flüssigkeitsfördersystem an der Anschlußstelle annähernd konstant gehalten wird.

Ein typisches Beispiel für die oben erwähnten Flüssigkeitsfördersysteme sind Fernwärmeversorgungssysteme, worin das Warmwasser von einem Heizwerk über lange Rohrleitungen von manchmal mehr als 100 km Länge zu den Verbrauchern befördert wird. Bei solch großen Systemen mit riesigem Wasserrauminhalt bereiten die bei Betriebsstörungen in dem System entstehenden hydraulischen transienten Erscheinungen und die demzufolge entstehenden Druckwellen die größten Schwierigkeiten im Bezug auf Auslegung, Konstruktion und Betrieb. Es hat sich herausgestellt, daß diese Erscheinungen und Einwirkungen Flüssigkeitsfördersysteme zerstören können. Wie später noch eingehender erläutert werden wird, entstehen die transienten Erscheinungen meistens beim Ausfallen der Umwälzpumpe des Fördersystemes, was durch einen technischen Fehler der Pumpe oder aber auch durch den Ausfall der Spannungsversorgung auftreten kann. Dabei entstehen erhebliche Druckwellen, die das System durchlaufen und an irgendeinem Punkt des Systems reflektiert werden. Die bis zum Eintreffen der reflektierten Druckwelle vergangene Zeit wird Hauptzeit genannt, die jeweils für ein gegebenes System charakteristisch ist. Bei größeren Systemen kann diese Hauptzeit z.B. 8 bis 10s betragen.

Zur Verminderung der oben erwähnten Gefahr wurden in den bekannten Systemen Windkessel angewendet, die hinter der Umwälzpumpe eingebaut wurden und woraus der beim Ausfallen der Pumpe entstehende Wassermangel nachgeholt werden konnte. Ein derartiger Windkessel ist beispielsweise aus der Fachzeitschrift "Wasserwirtschaft und Wassertechnik", 12. Jahrgang (1962), Heft 7, Seiten 297 bis 302 bekannt. Hierbei ist hinter der Umwälzpumpe, d.h. druckseitig, ein Windkessel oder ein zur Atmosphäre hin offener Wasserbehälter mit einem Rückschlagventil angeordnet, welches nach Druckabfall zur Rohrleitung hin öffnet und Wasser in diese einspeist. Da bei diesen bekannten Fördersystemen ständig zusätzliches Wasser mit entsprechendem Volumen eingespeist wird, kann diese Lösung aber nur für nicht geschlossene Systeme mit Erfolg angewendet werden, also bei Systemen, in denen das Wasser nicht in einer geschlossenen Rohrschleife umläuft. Hierbei ist aber die Nachspeisefähigkeit des Windkessels durch sein Volumen begrenzt, weil die Fähigkeit des Fördersystems zusätzliches Wasservolumen aufzunehmen durch die Grenzen der Flexibilität der Rohrleitungen festgelegt ist und sich daher in einem engen Rahmen bewegt. Dennoch existieren derartige geschlossene Fördersysteme, bei welchen mit der Vorlaufleitung ein Windkessel als Einrichtung verbunden ist, durch welche der Druck im Flüssigkeitsfördersystem an der Anschlußstelle des Windkessels annähernd konstant gehalten wird. Ein solches System ist beispielsweise aus dem "Fachbereichsstandard" aus der DDR, TGL 190-259/05 der VVB Energieversorgung Berlin vom Februar 1979, Seite 9 ersichtlich. Jedoch treten außerdem bei derartigen geschlossenen Fördersystemen Druckstöße auf, welche in dem geschlossenen System reflektiert werden und den vertretbaren Betrag überschreiten. Daher kann gemäß dem vorbekannten Stand der Technik die Gefahr der transienten Erscheinungen in einem geschlossenen Fördersystem nur durch entsprechende Überdimensionierung des Systems mit Sicherheit beseitigt werden. Dementsprechend erfolgte die Dimensionierung solcher Systeme auf der Basis eines Druckes, der mindestens um die Hälfte höher ist, als der Betriebsdruck des Systems.

Dabei entstanden durch diese Überdimensionierung offensichtliche Mehrkosten für die Herstellung und Verlegung, den Betrieb und das Instandhalten des Systems.

Die Erfindung löst die Aufgabe, eine Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen eines breiten Intensitätsspektrums in einem geschlossenen Flüssigkeitsfördersystem der eingangs erwähnten Art zu schaffen und so die Gefahr der Zerstörung des Fördersystems ohne eine Überdimensionierung desselben zu vermeiden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an die andere der Leitungen mehrere Dämpfungsbehälter jeweils über ein Rückschlagventil parallel angeschlossen sind und die Dämpfungsbehälter unter unterschiedlichen Vorspanndrücken stehen und daß

• a) im Falle, daß die Dämpfungsbehälter vor der Umwälzpumpe, d.h. auf deren Saugseite an einer Dämpfungsbehälter- Anschlußstelle angeschlossen sind, die Rückschlagventile sich in Richtung zu den Dämpfungsbehältern öffnen und der Vorspanndruck in den Dämpfungsbehältern höher als der Betriebsdruck an der Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle ist und
• b) im Falle, daß die Dämpfungsbehälter hinter der Umwälzpumpe, d.h. auf deren Druckseite an einer Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle angeschlossen sind, die Rückschlagventile sich in Richtung zu der Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle öffnen und der Vorspanndruck in den Dämpfungsbehältern geringer als der Betriebsdruck an der Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle ist.

Die Vorspanndrücke in den Dämpfungsbehältern können um so größer bzw. kleiner sein, je weiter der Dämpfungsbehälter von seiner Anschlußstelle an das System entfernt liegt. Durch die Festlegung der Vorspanndrücke kann der Schwingungsverlauf in dem System vorbestimmt werden.

Die Wiedereinstellung der im Ausgangszustand eingestellten Parameter der Dämpfungsbehälter kann automatisch oder von Hand durchgeführt werden. Als Wiedereinstellmittel können Flüssigkeitsaus- und -einlässe sowie Druckluftein- und -auslässe und geeignete Verschlußorgane vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein bekanntes geschlossenes Flüssigkeitsfördersystem anhand eines skizzenhaft dargestellten Fernwärmeversorgungssystems,

Fig. 2 den Druckverlauf in den Eckpunkten des in Fig. 1 gezeigten Systems bei einer Betriebsstörung,

Fig. 3 die Blockschema einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 4 den Druckverlauf wie in Fig. 2, jedoch für die Ausführungsform gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Modell eines Fernwärmeversorgungssystems gezeigt, worin der Druck im Punkt 1 annähernd konstant, oder zumindest zwischen bestimmten Grenzen gehalten wird. Zwischen den Punkten 1 und 2 des Systems befindet sich eine Vorlaufleitung 8, die wegen der großen Länge als flexibel angenommen werden kann. Ein Verbraucher 7 ist zwischen den Punkten 2 und 3 eingeschaltet. Zwischen den Punkten 3 und 4 befindet sich eine Rücklaufleitung, die ebenfalls flexibel ist. Eine Umwälzpumpe 5 ist zwischen den Punkten 4 und 1 vorgesehen. Der konstante Druck im Punkt 1 wird mit einem Windkessel 6 sichergestellt.

In diesem System wird bei Ausfallen der Umwälzpumpe 5 die beförderte Wassermenge mit dem Abklingen der Drehzahl der Umwälzpumpe 5 immer kleiner. Um den Druck im Punkt 1 konstant halten zu können, wird aus dem Windkessel 6 an diesem Punkt 1 Wasser eingelassen, um die sich vermindernde Wasserfördermenge zu kompensieren. Dadurch ändern sich der Volumenstrom und der Druck in der Vorlaufleitung 8 praktisch nicht, während in der Rücklaufleitung 9 entsprechend der verminderten Drehzahl der Umwälzpumpe 5 zuerst im Punkt 4, dann mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die der Schallgeschwindigkeit entspricht, auch in der Rücklaufleitung 9 in Richtung des Verhrauchers 7 der Volumenstrom kleiner und folglich der Druck größer werden. Dieser Druckstoß wird mit Schallgeschwindigkeit im Punkt 1 mit konstantem Druck reflektiert und in Form eines Druckabfalles in Richtung des Verbrauchers 7, bzw. durch den Verbraucher 7 zum Punkt 4 geleitet. Da hierbei kein Mittel zur stufenweisen Verzögerung der Wassersäule hoher Bewegungsenergie vorhanden ist, bewegen sich die Druckspitzen zwischen keinen vernünftigen Grenzen. Daher soll eine Verzögerung der Ausbreitung der transienten Wirkung erreicht werden, womit die Druckspitzen zwischen vertretbaren Grenzen bleiben.

Fig. 2 zeigt die Druckspitzen wie sie in dem in Fig. 1 gezeigten System auftreten. Der konstante Druck im Punkt 2 von ca. 8,5 bar vergrößert sich auf ca. 16 bar nach der Störung, der Druck von ca. 6,6 bar im Punkt 3 auf ca. 14,5 bar.

Der Druck im Punkt 1 ist in dem beobachteten Zeitraum wegen des Windkessels 6 konstant geblieben.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfördersystems ebenfalls an dem Beispiel der Fernwärmeversorgung dargestellt. Das in Fig. 1 gezeigte System ist hierbei um zwei Dämpfungsbehälter 10 und 11 ergänzt, die durch Rückschlagventile 12 und 13 im Punkt 4 dem System angeschlossen sind. Diese Dämpfungsbehälter sind vor die Umwälzpumpe 5 eingeschaltet, wobei die in ihnen vorhandenen Vorspanndrücke jeweils größer sind als der Betriebsdruck im Punkt 4. Darüber hinaus ist im Dämpfungsbehälter 11 der Druck größer als im Dämpfungsbehälter 10. Die in Reihe geschalteten Dämpfungsbehälter 10 und 11 sind durch solche Rückschlagventile 12 und 13 von dem System abgetrennt, die einen Einlaß der Flüssigkeit in die Behälter 10 und 11 ermöglichen und die Rückströmung verhindern.

Wenn z.B. ein Ausfall der Umwälzpumpe 5 wie in dem Beispiel von Fig. 1 auftritt, werden die dadurch entstehenden hydraulischen Druckwellen von den Dämpfungsbehältern 10 und 11 absorbiert, wodurch die Druckspitzen zwischen den zugelassenen Grenzen bleiben. Wenn nämlich der Druck größer wird, als der Vorspanndruck im Behälter 10, wird die Flüssigkeit nicht weiter in Richtung der Umwälzpumpe 5 strömen, sondern durch das Rückschlagventil 12 in den Dämpfungsbehälter 10 hinein, bis der Druck p _e im Inneren des Dämpfungsbehälters 10 größer wird als der Vorspanndruck in dem Dämpfungsbehälter 11. In diesem Augenblick beginnt die Flüssigkeit durch das Rückschlagventil 13 auch in den Dämpfungsbehälter 12 hineinzuströmen, wodurch die Druckwelle jetzt von den beiden Dämpfungsbehältern 10 und 11 aufgenommen wird.

Das oben Gesagte wird durch das Druckdiagramm von Fig. 4 veranschaulicht. In diesem Beispiel ist der konstante Betriebsdruck des Befördersystems ca. 12 bar, der Vorspanndruck des Dämpfungsbehälters 10 ist auf 5 bar, und der des Dämpfungsbehälters 11 auf 7 bar eingestellt. Der Betriebsdruck im Punkt 4 beträgt 3 bar. Die Vorspanndrücke der Dämpfungsbehälter 10 und 11 sind also höher als der Betriebsdruck im Anschlußpunkt 4. Nach dem Auftreten der Störung beginnt der Druck im Punkt 4 steil anzusteigen, bis nach ca. 1,5 s der Vorspanndruck von 5 bar des Dämpfungsbehälters 10 erreicht wird. Die Geschwindigkeit der Druckwelle wird danach abrupt kleiner. Der Vorspanndruck vom Dämpfungsbehälter 11 von 7 bar wird nach ca. 12 s erreicht. Der Druck im Punkt 4 steigt langsam bis zu dem ständigen Betriebsdruck von 12 bar an, der ca. um 0,2 bar überschritten wird. Es ist klar zu erkennen, daß keine Schwingungen und extremen Druckspitzen auftreten. Die Drücke in Punkten 2 und 3 überschreiten den konstanten Betriebsdruck um weniger als 1 bar.

Wie weiter oben erwähnt, wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Druck im Punkt 1 konstant gehalten, was in der Praxis als Druckhaltung im oberen Punkt bezeichnet wird. Wenn es sich aber um eine Druckhaltung im unteren Punkt handelt, werden die Dämpfungsbehälter an der Druckseite der Umwälzpumpe 5 im Punkt 1 angeschlossen. In diesem Fall macht sich die Störung als ein Druckabfall im Punkt 1 bemerkbar, wobei die Entstehungs- und Fortbewegungsgeschwindigkeit des Druckabfalls durch die Dämpfungsbehälter verzögert werden sollen. Zu diesem Zwecke werden die Rückschlagventile zwischen dem Punkt 1 und den in Reihe geschalteten Dämpfungsbehältern umgekehrt wie bei Druckhaltung im oberen Punkt angeordnet, so daß ein Ausströmen aus den Dämpfungsbehältern ermöglicht wird. Wenn also der Druck im Punkt 1 kleiner wird als der Vorspanndruck in dem näher bei Punkt 1 liegenden Dämpfungsbehälter, beginnt das Ausströmen aus diesem Behälter. Unterschreitet der Druck im Punkt 1 auch den Vorspanndruck des zweiten Dämpfungsbehälters, wobei dieser Vorspanndruck kleiner ist als der Vorspanndruck des ersten Behälters, beginnt das Ausströmen auch aus dem zweiten Dämpfungsbehälter. Das elastische Mittel, d.h. das Gas mit immer kleiner werdendem Druck, verzögert die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle, wodurch sich die oben geschilderte Dämfungswirkung einstellt.

Die Zahl der Dämpfungsbehälter 10 und 11 wird jeweils nach den speziellen Anforderungen des Fördersystems bestimmt. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel war es ausreichend, zwei Dämpfungsbehälter 10 und 11 vorzusehen, um die entstehenden Druckwellen zu absorbieren. Jedoch können noch weitere Dämpfungsbehälter in Reihe hintereinander geschaltet werden, wenn dies notwendig ist.

Es kann auch dafür Sorge getragen werden, daß die Ausgangsparameter der Dämpfungsbehälter 10, 11 nach Ablauf einer Störung, d. h. nach dem Einsatz der Dämpfungsbehälter 10, 11 wieder eingestellt werden. Dazu sollen die Vorspanndrücke und die Wasserpegel in den Dämpfungsbehältern 10, 11 auf den vorherigen Wert eingestellt werden. Zu diesem Zweck können Wasseranschlüsse, Druckluftanschlüsse und Bypass-Anschlüsse an dem Fördersystem sowie geeignete Verschlußorgane vorgesehen sein. Diese Mittel können auch automatisch betätigt werden, wobei das Einstellen auf den vorherigen Wert nach der Störung automatisch erfolgen kann. Konstruktion und Anordnung solcher Mittel sind für den Fachmann eine Routineaufgabe, so daß diese Mittel keine ausführlichere Beschreibung benötigen.

Claims (1)

1. Einrichtung zum Dämpfen von Schwingungen in einem geschlossenen Flüssigkeitsfördersystem, in welches eine Umwälzpumpe zwischen einer Vorlaufleitung und einer Rücklaufleitung eingeschaltet ist und welches mit einer an einer dieser Leitungen angeschlossenen Einrichtung versehen ist, durch welche der Druck im Flüssigkeitsfördersystem an der Anschlußstelle annähernd konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß an die andere der Leitungen mehrere Dämpfungsbehälter (10, 11) jeweils über ein Rückschlagventil (12, 13) parallel angeschlossen sind und die Dämpfungsbehälter unter unterschiedlichen Vorspanndrücken stehen und daß

   • a) im Falle, daß die Dämpfungsbehälter vor der Umwälzpumpe (5), d.h. auf deren Saugseite an einer Dämpfungsbehälter- Anschlußstelle (4), angeschlossen sind, die Rückschlagventile (12, 13) sich in Richtung zu den Dämpfungsbehältern (10, 11) öffnen und der Vorspanndruck in den Dämpfungsbehältern (10, 11) höher als der Betriebsdruck an der Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle (4) ist, und
   • b) im Falle, daß die Dämpfungsbehälter hinter der Umwälzpumpe (5), d.h. auf deren Druckseite an einer Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle (1), angeschlossen sind, die Rückschlagventile (12, 13) sich in Richtung zu der Dämpfungsbehälter-Anschlußstelle (1) öffnen und der Vorspanndruck in den Dämpfungsbehältern (10, 11) geringer als der Betriebsdruck an der Dämpfungsbehälter- Anschlußstelle (1) ist.