EP2837829B1

EP2837829B1 - Kennfeldregelung von kreiselpumpen

Info

Publication number: EP2837829B1
Application number: EP13180356.1A
Authority: EP
Inventors: Jens-Patrick Springer; Andreas Grill; Richard Aumann; Andreas Schuster
Original assignee: Orcan Energy AG
Current assignee: Orcan Energy AG
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: US10480515B2; WO2015022113A1; US20160195092A1; CN105556127A; EP2837829A1; CN105556127B

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, während des Pumpens einer Flüssigkeit und eine entsprechende Vorrichtung.

Stand der Technik

Kreiselpumpen weisen eine starke Abhängigkeit der Fördermenge von der anliegenden Druckdifferenz und der Drehzahl auf. Genauer gesagt, bestimmt eine Differenz zwischen dem pumpenausgangsseitigen Flüssigkeitsdruck und dem pumpeneingangsseitigen Flüssigkeitsdruck die Durchflussmenge (Massenstrom oder Volumenstrom). Jede Pumpe weist ein für sie kennzeichnendes Pumpenkennfeld auf, das einen Zusammenhang zwischen den drei Parametern (Differenz zwischen dem pumpenausgangsseitigen Flüssigkeitsdruck und dem pumpeneingangsseitigen Flüssigkeitsdruck, Durchflussmenge, Drehzahl) definiert. Auf diese Weise kann aus dem Kennfeld bei Kenntnis von zwei der Parameter der dritte ermittelt werden. Das Kennfeld kann in Form von empirischen, semi-empirischen oder theoretischen Modellgleichungen vorliegen. Bei empirischen Modellgleichungen können empirisch erfasste Werte mit Ausgleichfunktionen verbunden sein. Diese empirischen Ausgleichfunktionen können auch als Abbildung in einer Tabelle festgehalten sein. Im Falle von semi-empirischen Modellgleichungen gehen sowohl empirische ermittelte Werte als auch physikalische Gleichungen ein, welche z.B. Zusammenhänge von physikalischen Parametern beschreiben. Im Falle von theoretischen Modellgleichungen sind die Zusammenhänge der Parameter vollständig durch physikalische Gleichungen beschrieben.
Nachteilig ist, dass Schwankungen im Mediendruck auf Hoch- und/oder Niederdruckseite einen ungleichmäßigen Durchfluss (bei gegebener Drehzahl) verursachen, was bei massenstromkritischen Prozessen zu Beeinträchtigungen des Prozessablaufs führen kann. Weiterhin reduziert das Kennfeld den Betriebsbereich der Pumpe, was zu Prozessstörungen und Komponentenschäden bei Überschreiten der Grenzen führen kann.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines solchen Kennfelds. Hierin ist über den Volumenstrom Q die Förderhöhe H in Abhängigkeit der Drehzahl n aufgetragen. Der Volumenstrom wird durch einen Minimal- und Maximalwert des Kennfelds limitiert. Weiter gibt es eine maximale Förderhöhe, die nur bei höchster Drehzahl und minimalem Durchfluss erreicht werden kann. Es zeigt sich, dass sich bei fester Drehzahl der Durchfluss stark in Abhängigkeit der Höhe ändert. Da die Förderhöhe proportional zur anliegenden Druckdifferenz an der Pumpe ist, bewirken Schwankungen im Druck auf Hoch- oder Niederdruckseite eine Änderung des Pumpendurchflusses. Die Begrenzung des Volumenstroms nach unten muss nicht wie in der Zeichnung konstant sein, sondern kann von der Drehzahl abhängen.
Das Beispiel in Fig. 2 zeigt eine Reduzierung der Förderhöhe von H₁ nach H₂ bei konstanter Drehzahl n. Durch das Kennfeldverhalten erhöht sich der Durchfluss von Q₁ nach Q₂ signifikant. Solche Änderungen können Probleme im Prozessbetrieb verursachen, die zu Störungen, Stillstandzeiten und Defekten führen können. Zudem werden bei vielen Prozessen Änderungen des Durchflusses unabhängig von aktueller Förderhöhe gewünscht. Diese Funktion wird durch den Einfluss des Kennfeldes ebenfalls beeinträchtigt. Soll z.B. der Durchfluss erhöht werden und wird dazu die Drehzahl erhöht, so kann die erhöhte Fördermenge in vielen Prozessen zu einer Druckerhöhung auf der Hochdruckseite führen, die den Durchflussanstieg aufgrund des Kennfeldeinflusses zum Teil wieder kompensieren.
Weiterhin zeigt das Kennfeld auch, dass es maschinentypische Einschränkungen für den Pumpenbetrieb gibt (wie z.B. einen Mindestvolumenstrom) deren Einhaltung zur dauerhaften Sicherstellung der Maschinenfunktion notwendig sind.
Aus dem Dokument DE 10 2011 115 244 A1 ist lediglich eine Überwachung des Betriebszustands einer Pumpe bekannt, die einen Vergleich einer Ist-Kennlinie mit einer Soll-Kennlinie der Pumpe umfasst, um daraus eine Reparaturbedürftigkeit oder Austauschbedürftigkeit der Pumpe zu prognostizieren.
Ein Anwendungsbereich bei der das sichere Fördern eines Fluidstroms von besonderer Bedeutung ist, ist die Pumpenreglung einer Speisepumpe eines ORC-Kraftwerkprozesses (Organic-Rankine-Cycle), wie schematisch in Fig. 3 dargestellt. Darin wird eine Pumpe (P) in der Form geregelt, dass gewünschte Frischdampfparameter am Ausgang eines der Pumpe nachgeschalteten Wärmeübertragers (V) sicher eingestellt werden können. Dazu wird die Drehzahl der Pumpe durch die Regelung so beeinflusst, dass sich über den damit geänderten Durchfluss die Verdampfungsbedingung derart ändern, dass die gewünschten Drücke und Temperaturen des Frischdampfes erreicht und für einen stabilen Prozessbetrieb stabil kontrolliert werden.
In diesem Beispiel hängt die Förderhöhe der Pumpe zum einen vom Frischdampfdruck (p_FD), zum anderen vom Druckniveau vor der Pumpe ab (p_KOND). Dieser Druck hängt vom aktuellen Kondensationsdruck des der Pumpe vorgeschalteten Kondensators (K) ab. Dieser Kondensator kühlt und verflüssigt im ORC-Prozess das Arbeitsmedium durch Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium. Dieses Kühlmedium (z.B. Wasser eines Heiznetzes oder Umgebungsluft) kann in Menge und Temperatur Schwankungen unterliegen (Temperaturschwankungen in einem Heiznetz, Wind- oder sonstige Umwelteinflüsse). Diese Schwankungen beeinflussen die Wärmeübertragung im Kondensator, was Auswirkungen auf die Kondensationsbedingungen und somit den Kondensationsdruck hat. Somit können sich externe Störungen auf die Förderhöhe der Pumpe auswirken und deshalb Schwankungen in Massenstrom und Frischdampfdruck verursachen. Diese möglichen Schwankungsamplituden müssen in Sicherheitsbetrachtungen und Verfügbarkeitsanalysen berücksichtigt werden. Weiterhin handelt es sich beim ORC-Prozess um ein geschlossenes System, und somit ist eine Rückwirkung eines schwankenden Frischdampfdrucks über die Expansionsmaschine (E) auf den Kondensationsdruck nicht auszuschließen. Daher kann es zu einem selbstverstärkenden Effekt kommen, der die Prozessstabilität weiter negativ beeinflusst.
Eine Möglichkeit diesen Einflüssen zu begegnen, ist der Einsatz einer Kaskadenregelung gemäß Fig. 4. Darin regelt ein innerer Regelkreis den Durchfluss anhand eines Vergleichs aus aktuellem Ist- und Sollwert des Massen- bzw. Volumenstroms, während ein äußerer Regelkreis den Durchflusssollwert zur Regelung auf die eigentliche Regelgröße der Pumpe (z.B. Prozessdruck) dem inneren Kreis vorgibt. Dadurch können Durchflussabweichungen kompensiert werden und gleichzeitig auf einen gewünschten Prozesswert geregelt werden.
Im Kaskadenregler kann der (innere) Teilprozess I der Pumpprozess sein. Hierin finden sich alle Komponenten, die das Signal der Massenstrom-Regelung (m-Regelung) in das Fördern eines Mediums umsetzen. Dies kann eine Ansteuerung/Drehzahlregelung der Pumpe, den Pumpenmotor und die Pumpe selbst beinhalten. Der äußere Teilprozess II kann beispielsweise ein Verdampfungsprozess und der Prozesswert s kann der Mediendruck p nach der Verdampfung sein. Der Verdampfungsprozess kann damit alle notwendigen Komponenten, wie ein oder mehrere Wärmeübertrager, Behälter, Armaturen, usw. enthalten.
Diese Lösung erlaubt es zwar, Durchflussabweichungen beim Auftreten zu detektieren und darauf zu reagieren, dazu muss sich der Durchfluss jedoch bereits von seinem Sollwert S_Soll entfernt haben. Damit ist keine vorausschauende Kompensation vor Eintreten der Schwankungen möglich. Somit wird eine zusätzliche Störgrößenaufschaltung notwendig (nicht dargestellt). Zudem benötigt diese Lösung nach dem Stand der Technik eine aufwendige und häufig kostenintensive Messung des Massen- bzw. Volumenstroms. Eine Vermeidung dieser Messung hätte signifikante Kostenvorteile.
Die Druckschrift EP-A-1286056 offenbart ein Verfahren zum Regeln einer Pumpe in Abhängigkeit von einem Signal, das ein Vorhandensein und ein Ausmaß von Kavitation anzeigt. Eine Steuerung empfängt dazu Saug- und Ausstoßdrucksignale von Sensoren stromaufwärts bzw. stromabwärts der Pumpe.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, während des Pumpens einer Flüssigkeit, umfasst die Schritte: Festlegen eines Sollwerts einer Durchflussrate der Pumpe; Messen eines Eingangsdrucks der Flüssigkeit stromaufwärts der Pumpe und eines Ausgangsdrucks der Flüssigkeit stromabwärts der Pumpe; Bestimmen eines Sollwerts einer Drehzahl der Pumpe bzw. eines die Drehzahl bestimmenden Stellsignals aus einem Kennfeld der Pumpe, wobei der festgelegte Sollwert der Durchflussrate und eine Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen; und Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl bzw. Zuführen des die Drehzahl bestimmenden Stellsignals an die Pumpe.
Vorteilhaft ist dabei, dass es durch die Berücksichtigung des Kennfeldes keiner Messung des Massen- bzw. Volumenstroms zur Regelung bzw. Kompensation bedarf. Weiterhin kann die Regelung bereits beim Auftreten einer Druckschwankung reagieren, bevor die Auswirkungen einer Durchflussschwankung auftreten (Vorausschauendes Regelverhalten), womit die Regelgüte verbessert wird.
Das Kennfeld der Pumpe kann dabei in üblicher Form verwendet werden, wobei also ein Zusammenhang zwischen der Durchflussrate und dem Differenzdruck bzw. der Förderhöhe bei verschiedener jedoch jeweils konstanter Drehzahl gegeben ist.
Das Kennfeld kann alternativ oder zusätzlich in "invertierter" Form (nachfolgend auch invertiertes Kennfeld genannt) verwendet werden, wobei dann ein Zusammenhang zwischen Differenzdruck bzw. Förderhöhe und der Drehzahl bei verschiedenem jedoch jeweils konstantem Durchfluss gegeben ist.
In jedem Fall erfolgt die Verwendung des Kennfelds derart, dass einer durch eine Differenzdruckänderung hervorgerufenen Durchflussratenänderung durch eine Drehzahländerung entgegengeregelt wird, um die Durchflussrate möglichst konstant zu halten, was durch Auffinden eines entsprechenden Betriebspunktes der Pumpe in deren Kennfeld bzw. invertiertem Kennfeld erfolgt.
Der Sollwert der Durchflussrate kann dabei wiederum von der Regelung festgelegt werden, z.B. basierend auf einem festgelegten Ausgangsdruck der Pumpe oder basierend auf einem anderen geeigneten Prozesswert. Andererseits kann der Sollwert der Durchflussrate von einem Nutzer festgelegt werden. In beiden Fällen kann dies entweder durch die direkte Vorgabe der Durchflussrate oder aber indirekt durch eine Vorgabe der Drehzahl, woraus sich dann die konstant zu haltende Durchflussrate ermitteln lässt, geschehen.
Vorzugsweise erfolgt nach dem Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate ein kontinuierliches Durchführen der Schritte des Messens des Eingangsdrucks der Flüssigkeit und des Ausgangsdrucks der Flüssigkeit, des Bestimmens des Sollwerts der Drehzahl der Pumpe und des Einstellens der Drehzahl der Pumpe.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate die folgenden Schritte umfassen: Bestimmen eines zeitlichen Mittelwerts der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks; und Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate aus dem Kennfeld der Pumpe, wobei der zeitliche Mittelwert der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks sowie eine aktuelle Drehzahl der Pumpe als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen. Auf diese Weise kann im laufenden Betrieb der Pumpe ein möglichst einzuhaltender Sollwert der Durchflussrate bestimmt werden. In diesem Fall kann auch das Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate kontinuierlich erfolgen.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der zeitliche Mittelwert der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks aus einem ersten zeitlichen Mittelwert des Eingangsdrucks und einem zweiten zeitlichen Mittelwert des Ausgangsdrucks bestimmt werden kann. Somit ist es möglich, bei Bedarf unterschiedliche Zeitkonstanten für die Mittelung des Eingangsdrucks und des Ausgangsdrucks zu verwenden.
Nach einer anderen Weiterbildung kann das Bestimmen des Sollwerts der Drehzahl der Pumpe die folgenden weiteren Schritte umfassen: Überprüfen, ob eine Kombination aus Drehzahl der Pumpe, festgelegtem Sollwert der Durchflussrate und der Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck innerhalb einer Kennfeldbegrenzung liegt; Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl, wenn die Kombination innerhalb des Kennfelds liegt; und Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf einen Sicherheitswert, wenn die Kombination außerhalb des Kennfelds liegt, wobei der Sicherheitswert vorzugsweise so gewählt wird, dass die Abweichung von dem Sollwert der Durchflussrate möglichst klein ist.
Gemäß einer anderen Weiterbildung kann das Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl das Ausgeben eines Korrektursignals auf ein der Pumpe zugeführtes Stellsignals umfassen. Auf diese Weise kann ein Korrektursignal auf das Stellsignal aufgeschaltet werden. Insbesondere kann ein Mindeststellsignal als Korrektursignal ausgegeben werden, um zu vermeiden, dass ein Betriebszustand außerhalb des Kennfelds eingestellt wird.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das Kennfeld bei verschiedenen Drehzahlen einen Zusammenhang zwischen der Durchflussrate und einer Förderhöhe der Pumpe definiert, und die Förderhöhe aus der Druckdifferenz zwischen dem gemessenen Ausgangsdruck und dem gemessenen Eingangsdruck bestimmt wird. Insbesondere kann die Förderhöhe h aus h=(p₂-p₁)/(ρ·g) bestimmt werden, wobei p₁ den gemessenen Eingangsdruck, p₂ den gemessenen Ausgangsdruck, ρ die Dichte der Flüssigkeit und g die Normfallbeschleunigung bezeichnet.
Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Dichte der Flüssigkeit als ein konstanter vorbestimmter Wert verwendet werden, oder das Verfahren kann den weiteren Schritt des Messens der Temperatur der Flüssigkeit umfassen und die Dichte der Flüssigkeit kann aus einer funktionalen Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur oder aus einer Tabelle ermittelt werden, wobei das Messen der Temperatur insbesondere eine Mittelung der Temperatur über ein vorbestimmtes Zeitintervall umfassen kann.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das Messen des Eingangsdrucks und des Ausgangsdrucks der Flüssigkeit kontinuierlich erfolgen kann. Auf diese Weise ist eine ständige Korrektur der Drehzahl bei Druckschwankungen möglich.
Die Durchflussrate kann als ein Volumenstrom oder als ein Massenstrom der Flüssigkeit durch die Pumpe definiert sein.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 10.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, während des Pumpens einer Flüssigkeit umfasst: ein erstes Druckmessgerät zum Messen eines Eingangsdrucks der Flüssigkeit stromaufwärts der Pumpe; ein zweites Druckmessgerät zum Messen eines Ausgangsdrucks der Flüssigkeit stromabwärts der Pumpe; und eine Steuereinrichtung zum Festlegen eines Sollwerts einer Durchflussrate der Pumpe; zum Bestimmen eines Sollwerts einer Drehzahl der Pumpe aus einem in einem Speicher gespeicherten Kennfeld der Pumpe, wobei der festgelegte Sollwert der Durchflussrate und eine Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen; und zum Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl. Die Vorteile entsprechen jenen die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt wurden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass damit das erfindungsgemäße Verfahren oder eine dessen Weiterbildungen ausgeführt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Steuereinrichtung weiterhin geeignet sein zum Bestimmen eines zeitlichen Mittelwerts der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks; und zum Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate aus dem Kennfeld der Pumpe, wobei der zeitliche Mittelwert der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks sowie eine aktuelle Drehzahl der Pumpe als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Steuereinrichtung zum Ausgeben eines Stellsignals an die Pumpe ausgebildet sein kann und das Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl das Ausgeben eines Korrektursignals auf das der Pumpe zugeführte Stellsignals umfassen kann.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Kennfeld bei verschiedenen Drehzahlen einen Zusammenhang zwischen der Durchflussrate und einer Förderhöhe der Pumpe definieren, wobei die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet sein kann, eine Förderhöhe H aus H=(p₂-p₁)/(ρ·g) zu bestimmen, wobei p₁ den gemessenen Eingangsdruck, p₂ den gemessenen Ausgangsdruck, ρ die Dichte der Flüssigkeit und g die Normfallbeschleunigung bezeichnet.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Vorrichtung weiterhin umfassen kann: ein Temperaturmessgerät zum Messen einer Temperatur der Flüssigkeit und zum Übermitteln eines Temperaturmesssignals an die Steuereinrichtung; wobei die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet sein kann, aus dem Temperaturmesssignal eine Dichte der Flüssigkeit zu bestimmen und die Dichte der Flüssigkeit aus einer funktionalen Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur oder aus einer im Speicher gespeicherten Tabelle zu ermitteln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung oder einer der Weiterbildungen können Teil eines ORC-Systems (Organic-Rankine-Cycle) mit einer Pumpe zum Pumpen eines Arbeitsmediums des ORC-Systems sein.
Die Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dessen Vorteile entsprechen jenen die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt wurden.
Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.

Zeichnungen

Figur 1: zeigt schematisch ein Kennfeld einer Pumpe.
Figur 2: zeigt die Änderung des Durchflusses bei Druckänderung und konstanter Drehzahl im Kennfeld der Fig. 1.
Figur 3: zeigt die wesentlichen Elemente eines ORC-Systems.
Figur 4: zeigt einen Kaskadenregler.
Figur 5: zeigt die Wirkungsweise eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kennfeldregelung.
Figur 6: zeigt eine Kompensation des Durchflusses bei einer Schwankung der Druckdifferenz im Kennfeld der Pumpe.
Figur 7: zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kennfeldregelung.
Figur 8: zeigt beispielhaft einen Differenzdruck und einen entsprechenden Massenstrom in einem ORC-System.
Figur 9: zeigt den Massenstrom nach Fig. 8 und eine entsprechende Dampftemperatur in dem ORC-System.

Ausführungsformen

Fig. 5 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer Ausführungsform. Das Wissen um das Kennfeld einer Maschine erlaubt deren Begrenzung in Bezug auf die Parameter eines Prozesses (Differenz zwischen dem pumpenausgangsseitigen Flüssigkeitsdruck und dem pumpeneingangsseitigen Flüssigkeitsdruck, Durchflussrate, Drehzahl) und deren gegenseitige Abhängigkeit in die Regelung zu implementieren (Kennfeldregelung). Dabei überwacht ein Regelalgorithmus die aktuelle Förderhöhe (bzw. den Differenzdruck) sowie die Drehzahl und berechnet daraus die aktuellen Durchflussrate. Dazu ist im Algorithmus das Kennfeld numerisch hinterlegt.
Zur Ermittlung der Förderhöhe für die Regelung ist die Kenntnis der aktuellen Drücke auf der Nieder- und Hochdruckseite (p_n, p_h) der Pumpe notwendig (entsprechend: pumpeneinlassseitig und pumpenauslassseitig bzw. stromaufwärts und stromabwärts der Pumpe bzw. gemessener Eingangsdruck p₁ und gemessener Ausgangsdruck p₂). Aus der Differenz Δp= (p_h - p_n) dieser Drücke und der Dichte ρ des Mediums lässt sich die Förderhöhe H berechnen: $H = Δ p / (ρ \cdot g)$
wobei g die Normfallbeschleunigung bezeichnet.
Die aktuelle Dichte kann entweder über eine zusätzliche Messung der Temperatur des Mediums exakt ermittelt werden, oder durch eine Approximation im verwendeten Betriebsbereich als konstant angenommen werden. Die letztere Vereinfachung ist bei vielen Medien in flüssiger Phase und eingeschränktem Betriebsbereich (Druck- und/oder Temperaturbereich) in einer für die Regelung ausreichend guten Näherung zulässig.
Es erfolgt ein Festlegen eines Sollwerts einer Durchflussrate der Pumpe als die aktuell berechnete Durchflussrate; ein Messen eines Eingangsdrucks der Flüssigkeit stromaufwärts der Pumpe und eines Ausgangsdrucks der Flüssigkeit stromabwärts der Pumpe; ein Bestimmen eines Sollwerts einer Drehzahl der Pumpe aus dem Kennfeld der Pumpe, wobei der festgelegte Sollwert der Durchflussrate und die Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen; und schließlich erfolgt ein Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl. Wenn der Differenzdruck sich ändert, erfolgt somit eine Änderung der Drehzahl, um einer Änderung der Durchflussrate, die ansonsten eintreten würde, entgegenzuwirken. Zumindest kann die Änderung der Durchflussrate reduziert werden.
Weiter wird die Begrenzung des Kennfeldes (z.B. Minimaldurchfluss) im Algorithmus berücksichtigt. Dadurch kann sowohl ein gleichmäßiger Prozessbetrieb als auch die Einhaltung der Betriebsgrenzen der Pumpe sichergestellt werden.
Fig. 6 zeigt die Funktionsweise des Kompensationseinflusses der Kennfeldregelung, nämlich die Korrektur der Drehzahl bei einer Differenzdruckänderung, um auf diese Weise die Durchflussrate zu korrigieren. Die Wirkungsweise des Verfahrens gemäß dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kennfeldregelung ist im Kennfeld der Pumpe dargestellt. Sinkt bei konstanter Drehzahl n₁ die Druckdifferenz bzw. die entsprechende Förderhöhe von der im Punkt 1 auf die im Punkt 2 ab, erhöht sich der Durchfluss Q. Durch Reduktion der Drehzahl auf n₂ kann nun der ursprüngliche Durchfluss bei der neuen Druckdifferenz bzw. Förderhöhe im Punkt 3 wieder hergestellt werden.
Betrachtet man wieder das bereits oben genannte Beispiel eines ORC-Prozesses, so fließen in die erfindungsgemäße Regelung die Messwerte p_FD und p_KOND (als Hochdruck- bzw. Niedrigdruck) ein (siehe Fig. 7). Zur Unterdrückung der Messung zyklischer Schwankungen durchläuft das Messsignals zunächst eine Mittelwertbildung (gleitender Mittelwert) in einem geeigneten Mittelungsintervall. Der Mittelwert des Frischdampfdrucks p_{FD_M} wird mit dem Frischdampfsollwert zur Regelabweichung als Eingangssignal eines Reglers (z.B. eines PID-Reglers) verwendet. Das Ausgangssignal und die Differenz der Mittelwerte fließen als Eingangswerte in das Kennfeld KF¹ ein. Hierin wird der aktuell erwartete Massenstrom berechnet. Dieser Wert, sowie die Differenz der ungemittelten aktuellen Messwerte, fließen in das invertierte Kennfeld KF^-1 ein. Dieses liefert das aktuell notwendige Stellsignal der Pumpe. Die Differenz dieses Wertes und des aktuelle Stellsignals des Reglers ist die gesuchte zu kompensierende Abweichung. Durch Addition dieser Abweichung auf das Stellsignal ergibt sich eine Aufschaltung der Kompensation der Störung. Durch die Verstärkung K kann der Einfluss dieser Aufschaltung an den Prozess angepasst werden.
In diesem Beispiel liefert das Kennfeld KF¹ ebenfalls an den Regler das aktuell notwendige Mindeststellsignal s_min. Damit kann eine Unterschreitung dieser Kennfeldgrenze durch den Regler verhindert werden.
Einen signifikanten Vorteil dieses Vorgehens bietet das voraussehende Wirkungsprinzip dieser Regelung. Schon beim Eintreten von Druckschwankungen (die Ursache für Massenstromänderungen und daraus folgenden Störungen) wird die Durchflussschwankung kompensiert, bevor ein nachgeschaltetes Messsystem oder der nachgeschaltete Prozess die Abweichung detektieren bzw. deren Auswirkungen spüren könnte. Durch die Messung der Drücke und nicht des Durchflusses realisiert die Kennfeldregelung implizit ebenfalls die Funktion einer Störgrößenaufschaltung.
Fig. 8 zeigt beispielhaft aus einer Messung an einem ORC-System den Verlauf von Differenzdruck (p_FD-p_KOND) (obere Kurve in Fig. 8) und Massenstrom (untere Kurve in Fig. 8) über eine Zeit von ca. 15 Minuten. Man sieht, wie Druckschwankungen ihren Einfluss auf den Durchfluss zeigen. Bei sinkendem Differenzdruck ist unmittelbar ein höherer Durchfluss messbar, sowie umgekehrt.
Es ist zudem auch die Auswirkung auf einen Verdampfungsprozess messbar (siehe Fig. 9). Hierbei verringert sich bei steigendem Massenstrom (untere Kurve in Fig. 9) die Temperatur des Dampfes (obere Kurve in Fig. 9), da die im Wärmeübertrager übertragene Leistung nun einen höheren Massenstrom verdampfen und überhitzen muss. Die Dampftemperatur sinkt somit ab. Bei Absinken des Durchflusses erhöht sich die Temperatur wieder. Es zeigt sich damit, dass eine Reduktion der Durchflussschwankungen zu einer Stabilisierung von Prozessparametern führen kann.
Durch die Kennfeldregelung lässt sich diese Stabilisierung umsetzen. Die Folgen der Stabilisierung auf Auslegung und Prozess können höhere Prozessgüte und Verfügbarkeit, aber auch höhere Sicherheiten vor Verletzungen von Prozessgrenzwerten bedeuten. So können z.B. bei geringeren zu erwartenden Oszillationen von Temperaturen die Sicherheitsgrenzen in Abhängigkeit der nun niedrigeren Scheitelwerte reduziert werden bzw. der Prozess mit höheren Temperaturen (näher an den Sicherheitsgrenzen) ohne Verfügbarkeitsreduktionen betrieben werden.
Weiterhin benötigt diese Regelung nur zwei relativ günstige Druckmessstellen, welche in vielen Prozessen bereits zur Verfügung stehen, statt der teuren Messung des Massen- bzw. Volumenstroms. Damit ergibt sich ein deutlicher Kostenvorteil der Kennfeldregelung gegenüber konventionellen Lösungsansätzen.
Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zum Regeln einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, während des Pumpens einer Flüssigkeit, mit den Schritten:
Festlegen eines Sollwerts einer Durchflussrate der Pumpe;

Messen eines Eingangsdrucks der Flüssigkeit stromaufwärts der Pumpe und eines Ausgangsdrucks der Flüssigkeit stromabwärts der Pumpe;

Bestimmen eines Sollwerts einer Drehzahl der Pumpe aus einem Kennfeld der Pumpe, wobei der festgelegte Sollwert der Durchflussrate und eine Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen; und

Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl;

wobei das Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen eines zeitlichen Mittelwerts der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks; und

Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate aus dem Kennfeld der Pumpe, wobei der zeitliche Mittelwert der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks sowie eine aktuelle Drehzahl der Pumpe als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zeitliche Mittelwert der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks aus einem ersten zeitlichen Mittelwert des Eingangsdrucks und einem zweiten zeitlichen Mittelwert des Ausgangsdrucks bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen des Sollwerts der Drehzahl der Pumpe die folgenden weiteren Schritte umfasst:
Überprüfen, ob eine Kombination aus Drehzahl der Pumpe, festgelegtem Sollwert der Durchflussrate und der Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck innerhalb einer Kennfeldbegrenzung liegt;

Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl, wenn die Kombination innerhalb des Kennfelds liegt; und

Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf einen Sicherheitswert, wenn die Kombination außerhalb des Kennfelds liegt, wobei der Sicherheitswert vorzugsweise so gewählt wird, dass die Abweichung von dem Sollwert der Durchflussrate möglichst klein ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl das Ausgeben eines Korrektursignals auf ein der Pumpe zugeführtes Stellsignals umfasst, und wobei in Verbindung mit Anspruch 4 insbesondere ein Mindeststellsignal als Korrektursignal ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kennfeld bei verschiedenen Drehzahlen einen Zusammenhang zwischen der Durchflussrate und einer Förderhöhe der Pumpe definiert, und die Förderhöhe aus der Druckdifferenz zwischen dem gemessenen Ausgangsdruck und dem gemessenen Eingangsdruck bestimmt wird, wobei die Förderhöhe H insbesondere aus H=(p₂-p₁)/(ρ·g) bestimmt wird, wobei p₁ den gemessenen Eingangsdruck, p₂ den gemessenen Ausgangsdruck, ρ die Dichte der Flüssigkeit und g die Normfallbeschleunigung bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Dichte der Flüssigkeit als ein konstanter vorbestimmter Wert verwendet wird, oder wobei das Verfahren den weiteren Schritt des Messens der Temperatur der Flüssigkeit umfasst und die Dichte der Flüssigkeit aus einer funktionalen Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur oder aus einer Tabelle ermittelt wird, wobei das Messen der Temperatur insbesondere eine Mittelung der Temperatur über ein vorbestimmtes Zeitintervall umfassen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Messen des Eingangsdrucks und des Ausgangsdrucks der Flüssigkeit kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Durchflussrate als ein Volumenstrom oder als ein Massenstrom der Flüssigkeit durch die Pumpe definiert ist.
Vorrichtung zum Regeln einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe, während des Pumpens einer Flüssigkeit, wobei die Vorrichtung umfasst:
ein erstes Druckmessgerät zum Messen eines Eingangsdrucks der Flüssigkeit stromaufwärts der Pumpe;

ein zweites Druckmessgerät zum Messen eines Ausgangsdrucks der Flüssigkeit stromabwärts der Pumpe; und

eine Steuereinrichtung zum Festlegen eines Sollwerts einer Durchflussrate der Pumpe; zum Bestimmen eines Sollwerts einer Drehzahl der Pumpe aus einem in einem Speicher gespeicherten Kennfeld der Pumpe, wobei der festgelegte Sollwert der Durchflussrate und eine Differenz zwischen dem Ausgangsdruck und dem Eingangsdruck als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen; und zum Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl;

wobei die Steuereinrichtung weiterhin geeignet ist zum Bestimmen eines zeitlichen Mittelwerts der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks; und zum Festlegen des Sollwerts der Durchflussrate aus dem Kennfeld der Pumpe, wobei der zeitliche Mittelwert der Differenz des Ausgangsdrucks und des Eingangsdrucks sowie eine aktuelle Drehzahl der Pumpe als Eingangswerte in das Kennfeld eingehen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung zum Ausgeben eines Stellsignals an die Pumpe ausgebildet ist und das Einstellen der Drehzahl der Pumpe auf den Sollwert der Drehzahl das Ausgeben eines Korrektursignals auf das der Pumpe zugeführte Stellsignals umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Kennfeld bei verschiedenen Drehzahlen einen Zusammenhang zwischen der Durchflussrate und einer Förderhöhe der Pumpe definiert, und wobei die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Förderhöhe h aus h=(p₂-p₁)/(ρ·g) zu bestimmen, wobei p₁ den gemessenen Eingangsdruck, p₂ den gemessenen Ausgangsdruck, ρ die Dichte der Flüssigkeit und g die Normfallbeschleunigung bezeichnet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend:
ein Temperaturmessgerät zum Messen einer Temperatur der Flüssigkeit und zum Übermitteln eines Temperaturmesssignals an die Steuereinrichtung;

wobei die Steuereinrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, aus dem Temperaturmesssignal eine Dichte der Flüssigkeit zu bestimmen und die Dichte der Flüssigkeit aus einer funktionalen Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur oder aus einer im Speicher gespeicherten Tabelle zu ermitteln.
ORC-System, umfassend:
eine Pumpe zum Pumpen eines Arbeitsmediums, und

eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zum Regeln der Pumpe.