EP3592978B1

EP3592978B1 - Verfahren zum betrieb einer umwälzpumpe in zwillingsbauweise

Info

Publication number: EP3592978B1
Application number: EP18710819.6A
Authority: EP
Inventors: Martin Eckl; Stefan Laue; Joachim Schullerer
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2026-05-06
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: CN110382871B; RU2019131532A; BR112019018578A2; JP2020510155A; RU2019131532A3; CN110382871A; DE102017203926A1; JP7074763B2; RU2760278C2; WO2018162547A1; EP3592978A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe in Zwillingsbauweise.
Eine Zwillingspumpe bzw. eine Umwälzpumpe in Zwillingsbauweise besteht aus wenigstens zwei voneinander getrennten Einzelpumpen, insbesondere Kreiselpumpen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Die Druckstutzen der Einzelpumpen laufen zu einem gemeinsamen Ausgangsdruckstutzen der Zwillingspumpe zusammen. Diese Bauform bietet zum Einen einen Redundanzbetrieb, bei dem die redundante Pumpe übernimmt, falls die laufende Pumpe aufgrund eines Defektes ausfällt (Einzelpumpenbetrieb). Zum anderen lassen sich beide Pumpen im Zweipumpenbetrieb synchron betreiben, was unter gewissen Voraussetzungen einen energieeffizienteren Betrieb sowie eine erhöhte Förderleistung beider Einzelpumpen gestattet.
Um im Einpumpenbetrieb eine Rückwärtsdurchströmung der nichtlaufenden Pumpe zu vermeiden, wird eine sogenannte Umschaltklappe an der Stelle des Druckstutzens installiert, an der die Einzelstutzen der beiden Pumpen zusammenlaufen. Im Einzelpumpenbetrieb verschließt diese druckbedingt den Austrittsstutzen der stillgelegten Pumpe. Im Zweipumpenbetrieb soll die Umschaltklappe idealerweise mittig stehen, so dass das geförderte Medium beider Pumpen möglichst ungehindert in den gemeinsamen Druckstutzen strömen kann.
Die Funktion der Umschaltklappe ist schematisch in Figur 1 angedeutet, wobei die linke Darstellung 1a einen Einpumpenbetrieb zeigt, bei dem der Druckstutzen der stillstehenden Pumpe 2 mittels der Klappe 3 verschlossen ist, und die Darstellung 1b den Zweipumpenbetrieb mit einer möglichst exakten Mittelstellung der Umschaltklappe 3 wiedergibt.
Die konventionelle Regelung der Zwillingspumpe erfolgt durch die Anlagensteuerung, bei einer Heizungsumwälzpumpe durch die Anlagensteuerung der Heizungsanlage. Diese regelt beide Pumpen in Abhängigkeit eines zu erzielenden Solldruckes (Sollförderhöhe) der Zwillingspumpe. Um diese Sollförderhöhe zu erreichen, erhalten beide Pumpen eine gemeinsame Stellgröße in Form der Solldrehzahl ihrer Antriebsaggregate. Das zugehörige Blockschaltbild lässt sich der Figur 2 entnehmen.
Die konventionelle Regelung unterstellt dabei, dass beide Einzelpumpen bei identischer Solldrehzahl denselben Ausgangsdruck liefern, der dann der Gesamtförderhöhe des Systems entspricht. Tatsächlich liefern beide Einzelpumpen aufgrund bauraumbedingter unterschiedlicher Strömungsführungen bei identischer Solldrehzahl einen leicht unterschiedlichen Ausgangsdruck. Aufgrund der identischen Drehrichtungen beider Pumpen kann beispielsweise nur die Strömung einer Pumpe ideal geführt sein. Die zweite Pumpe hat dann eine längere Strömungsführung, insbesondere mit einem höheren Kurvenanteil. Auch können Fertigungstoleranzen diese Unterschiede noch verstärken. Diese Abweichung der Förderhöhen führt dazu, dass die Umschaltklappe mit unterschiedlichen Kraftvektoren belastet wird, wodurch die Klappe aus ihrer Mittelstellung geschwenkt wird. Unter Umständen wird die Klappenposition ähnlich einem inversen Pendel instabil. Geringste Auslenkungen der Klappe aus der Mittelposition, die zum Beispiel durch Turbulenzballen verursacht werden können, führen zum Umschlagen der Klappe auf eine Seite.
Ohne geeignete Gegenmaßnahmen wird in diesem Fall eine der beiden Pumpe stets hydraulisch blockiert und eine parallele Förderung mit beiden Pumpen ist nicht mehr möglich. Aus dem Stand der Technik sind mechanische Lösungen bekannt. Ein Ansatz sieht eine Modifikation der Klappe mit einem Spoiler vor, der durch den daran entstehenden Staudruck die Klappenstellung stabilisieren soll. Ein alternativer Lösungsansatz basiert auf einer als Schmetterlingsklappe ausgeführten Umschaltklappe, die ein Federelement zwischen beiden Flügeln umfasst.
Diese Lösungen erfordern jedoch konstruktive Maßnahmen an der Umschaltklappe, wodurch nicht nur höhere Produktionskosten in Kauf genommen werden müssen, sondern sich auch Nachteile hinsichtlich des Verschleißes der Klappe ergeben können.
Die EP 2 940 309 A1 zeigt ein Verfahren zur Regelung eines Pumpensystems mit einer elektrischen Leistungssymmetrierung. Die EP 0 735 273 A1 zeigt eine Doppelpumpe mit übergeordneter Steuerung.
Gesucht wird daher nach einer Lösung, die die oben genannten Probleme zu überwinden weiß.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe in Zwillingsbauweise vorgeschlagen. Grundlage für das Verfahren ist eine Umwälzpumpe mit wenigstens zwei getrennten Einzelpumpen, deren Druckstutzen zu einem gemeinsamen Ausdruckstutzen zusammenlaufen. Auch wenn die Erfindung ausdrücklich von Zwillingsbauweise spricht, können innerhalb der Pumpe theoretisch auch mehr als zwei Einzelpumpen zusammenwirken. Nachfolgend wird der Einfachheit halber von Zwillingsbauweise bzw. zwei Einzelpumpen gesprochen. Die erfindungsgemäßen Ausführungen gelten jedoch ohne Einschränkung auch für einen Aufbau mit mehr als zwei Einzelpumpen.
Die eingesetzten Einzelpumpen können jeweils als Kreiselpumpe ausgestaltet und innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses der Umwälzpumpe angeordnet sein. Jede Einzelpumpe umfasst ein eigenes, drehzahlvariables Antriebsaggregat, vorzugsweise in Form eines Elektromotors.
Zudem ist wenigstens eine im Druckstutzen angeordnete schwenkbare Umschaltklappe vorgesehen, die einen Wechsel zwischen einem Ein- und Mehrpumpenbetrieb ermöglicht. Im Einpumpenbetrieb ist die Klappe aus ihrer Mittelstellung verschwenkt, so dass ein Druckausgangsstutzen einer Einzelpumpe verschlossen ist. Im Zweipumpenbetrieb soll sich die Klappe idealerweise in einer Mittelstellung befinden, in der die Druckstutzen der Einzelpumpen geöffnet sind und der Öffnungsdurchmesser der Druckstutzen beider Einzelpumpen durch die Klappe entweder gar nicht oder zumindest in gleicher Weise beeinflusst wird.
Anders als im Stand der Technik praktiziert schlägt die vorliegende Erfindung vor, mittels einer Regelung für die Umwälzpumpe individuelle Stellgrößen für die Pumpenantriebe der wenigstens zwei Einzelpumpen der Umwälzpumpen zu generieren und diese entsprechend anzusteuern. Dabei sollen die individuellen Stellgrößen derart festgelegt werden, so dass eine Umschaltklappe im Zweipumpenbetrieb stabilisiert wird, erfindungsgemäß in ihrer Mittelstellung. Insbesondere soll die problematische Abweichung zwischen den resultierenden Förderhöhen bei identischer Drehzahl der Einzelpumpen mittels einer individuellen Regelung der Einzelantriebe gegen null geregelt werden, wodurch sich die Klappenstellung effektiv stabilisieren lässt.
Eine Möglichkeit, die nicht zur beanspruchten Erfindung gehört, besteht darin, die Einzelpumpen in einem sogenannten Master-Slave-Modus anzusteuern. In diesem Fall wird eine als Slave betriebene Einzelpumpe auf den Ist-Förderstrom einer als Master betriebenen Einzelpumpe geregelt. Beispielsweise lässt sich hierfür ein Förderstromregler einsetzen, dem als Sollwert der Ist-Förderstrom der Master Einzelpumpe und als Istwert der aktuelle Förderstrom der als Slave betriebenen Einzelpumpe zugeführt wird. Basierend auf den genannten Eingangsgrößen gibt der Förderstromregler als Stellwert einen Korrekturwert für die Soll-Drehzahl der als Slave betriebenen Pumpe aus. Folglich kann die als Slave betriebene Pumpe mit einer gegenüber der Master Einzelpumpe abweichenden Solldrehzahl betrieben werden. Durch diese Maßnahme können gezielt konstruktionsbedingte Unterschiede im geometrischen Aufbau der Einzelpumpen ausgeglichen und eine ausreichend stabile Lage der Umschaltklappe sichergestellt werden.
Ein zum Master-Slave-Konzept alternativer Lösungsansatz besteht gemäß der Erfindung darin, die Zwillingspumpe als Mehrgrößensystem mit wenigstens zwei Ein- und Ausgängen zu betrachten. Die Eingangsgrößen sind in diesem Beispiel die jeweiligen Drehzahlen der Einzelpumpen, wohingegen deren Regelgrößen die individuellen Förderhöhen und/oder Förderströme der Einzelpumpen sind. Auch hier erfolgt eine separate Regelung der Förderhöhe/Förderströme beider Einzelpumpen und damit eine individuelle Erzeugung passender Stellgrößen.
Aufgrund der hydraulischen Kopplung zwischen den Einzelpumpen wirkt sich die eingestellte Drehzahl einer Einzelpumpe ebenso auf die weitere Einzelpumpe aus. Mathematisch lässt sich die Regelstrecke der Umwälzpumpe mit Hilfe sogenannter Übertragungsglieder und Koppelglieder beschreiben, wobei ein Übertragungsglied den Einfluss der Stellgröße auf die zugeordnete Einzelpumpe charakterisiert und ein Koppelglied den Einfluss der Stellgröße auf die weitere Einzelpumpe beschreibt. Die hydraulische Kopplung kann folglich zu Wechselwirkungen zwischen den wenigstens zwei Einzelpumpen führen, was unter Umständen ein Aufschwingen von Störsignalen bewirken kann. Mögliche Folgen sind ein erhöhter Energieverbrauch, erhöhte Geräuschentwicklung, zunehmender Verschleiß oder auch etwaige Druckstöße innerhalb des Leitungssystems.
Zur Vermeidung dieser Wechselwirkungen wird erfindungsgemäß eine Entkopplungsregelung zwischen den Einzelpumpen vorgeschlagen. Als geeignete Variante gilt hier eine sogenannte P-kanonische Struktur. Durch Einführung von Entkopplungsblöcken, die sich invers zu den zuvor erläuterten Koppelblöcken verhalten, lässt sich der gegenseitige Einfluss der Einzelpumpen kompensieren. Im Idealfall lassen sich dann die einzelnen Regelgrößen mit unabhängigen Eingrößenreglern stabilisieren. Jede Einzelpumpe der Umwälzpumpe kann mittels eines unabhängigen Eingrößenreglers angesteuert werden, dieser als Sollgröße die Soll-Förderhöhe und als Regelgröße die Ist-Förderhöhe der entsprechenden Einzelpumpe erhält. Darauf basierend wird eine passende Drehzahl ausgegeben.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Regeleinheit, insbesondere eine Anlagensteuerung für eine Heizung, zur Regelung wenigstens einer Umwälzpumpe in Zwillingsbauweise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens. Dementsprechend ergeben sich für die Regeleinheit dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits zuvor anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich diskutiert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, in Zwillingsbauweise. Die Umwälzpumpe ist für den Empfang individueller Stellgrößen über eine externe Schnittstelle für die Ansteuerung ihrer wenigstens zwei elektrischen Pumpenantriebe geeignet.
Zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung eine hydraulische Anlage, insbesondere eine Heizungsanlage, mit wenigstens einer Regeleinheit gemäß der Erfindung.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1:: eine Skizze zur Verdeutlichung der Klappenstellung im Ein- und Zweipumpenbetrieb;
Figur 2:: ein Blockschaltbild einer konventionellen Heizungsanlage im Zweipumpenbetrieb;
Figur 3:: ein Blockschaltbild eines nicht unter die Erfindung fallenden Ausführungsbeispiels und
Figur 4:: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Wie bereits im einleitenden Teil der Beschreibung ausführlich beschrieben, werden die Einzelantriebe konventioneller Zwillingspumpen bisher mit identischer Solldrehzahl angesteuert, die durch einen geeigneten Regler in Abhängigkeit der Sollförderhöhe bestimmt wird (siehe Figur 2).
Der erfindungsgemäße Lösungsansatz weicht von dieser Praxis ab und sieht stattdessen eine individuelle Regelung der Einzelpumpen vor, wodurch für diese auch unterschiedliche Stellgrößen, d.h. Solldrehzahlen, in Abhängigkeit der Sollförderhöhe der Umwälzpumpe erzeugt werden können. Hierdurch lassen sich konstruktiv bedingte Unterschiede in der Strömungsführung sowie etwaige Fertigungstoleranzen zwischen den Einzelpumpen einer Zwillingspumpe kompensieren, so dass im Idealfall beide mit identischer Förderhöhe betrieben werden können. Hierdurch lässt sich die Umschaltklappe in ihrer Mittelstellung stabilisieren.
Für die konkrete Realisierung der Regelung der Einzelpumpen bieten sich zwei unterschiedliche Vorgehensweisen an, nämlich zum einen eine Regelung nach dem Master-Slave-Prinzip und zum anderen eine Regelung gemäß einem Mehrgrößensystem.
Zunächst soll auf die erste Variante, die nicht unter die Erfindung fällt, eingegangen werden. Figur 3 zeigt ein entsprechendes Blockschaltbild. Die Anlagensteuerung 10 regelt die Sollförderhöhe für das gesamte System. Pumpe 1 agiert im gezeigten Exempel als Master, während die Pumpe 2 als Slave betrieben wird. Die durch die Anlagensteuerung 10 erzeugte Solldrehzahl wird der Pumpe 1 (Masterpumpe) als Stellgröße und gleichzeitig der Pumpe 2 zur Vorsteuerung dieser zugeführt. Die Pumpe 2 wird zusätzlich auf den Ist-Förderstrom der Pumpe 1 geregelt. Dies erfolgt mit Hilfe des Förderstromreglers 20, dessen Sollwert der erzeugte Förderstrom Q1 der Pumpe 1 und dessen Istwert der resultierende Förderstrom Q2 der Pumpe 2 ist. Als Stellwert gibt der Förderstromregler 20 einen Drehzahlkorrekturwert für die Pumpe 2 aus, deren Drehzahl daraufhin angepasst und gegebenenfalls von der Drehzahl der Pumpe 1 abweichen kann.
Durch die Regelung der Pumpe 1 wird sichergestellt, dass die Sollförderhöhe des Systems erreicht wird. Durch die Regelung der Pumpe 2 wird sichergestellt, dass identische Förderströme an den Ausgangsstutzen der Pumpen 1, 2 vorliegen, wodurch die Umschaltklappe in der Mittelstellung gehalten wird.
Alternativ zur Master-Slave Regelung gemäß Figur 3 kann die Zwillingspumpe als Mehrgrößensystem 30 mit je zwei Ein- und Ausgängen betrachtet werden. Die Eingangsgrößen sind die beiden Drehzahlen n₁ und n₂. Die Regelgrößen sind die Förderhöhen H₁ und H₂. Das Blockschaltbild ist in Bild 4 dargestellt.
Aufgrund der hydraulischen Kopplung beeinflussen die beiden Drehzahlen n₁, n₂ jeweils nicht nur die mit der jeweiligen Drehzahl angesteuerte Pumpe, sondern ebenfalls die benachbarte Einzelpumpe des Zwillingsaufbaus. Die Übertragungsglieder G₁₁ und G₂₂ beschreiben den Einfluss der jeweiligen Drehzahl n₁, n₂ auf die eigene Pumpe. Die Koppelglieder G₁₂ und G₂₁ beschreiben den Einfluss der Drehzahl n₁ auf die Förderhöhe H₂ bzw. n₂ auf H₁ der jeweils anderen Pumpe. Die mathematische Beschreibung des Systems ist nichtlinear.
Um das System zu entkoppeln, werden die Entkopplungsblöcke R₁₁, R₂₁, R₁₂, R₂₂ eingeführt. Diese Entkopplungsblöcke verhalten sich invers zu den Koppelblöcken G₁₂ und G₂₁ der Regelstrecke 30. Auf diese Weise heben sich die Querkopplungen auf und das Mehrgrößensystem 30 lässt sich als ein System mit zwei unabhängigen Eingrößen beschreiben, die jeweils unabhängig mit einem Eingrößenregler 40a, 40b stabilisiert werden können.
Der Vorteil dieser Lösung gegenüber dem Master-Slave Ansatz der Figur 3 besteht in der Möglichkeit zur Entkopplung der beiden Einzelpumpen 1, 2. Durch die Kopplung der zwei Pumpen 1, 2 treten Wechselwirkungen auf, die zu einem Aufschwingen von Störsignalen führen können. Mögliche Folgen können ein erhöhter Energieverbrauch, erhöhte Geräuschentwicklung, zunehmender Verschleiß oder u.U. in das Leitungssystem induzierte Druckstöße sein. Dieses Aufschwingen wird durch den Mehrgrößenansatz der Figur 4 vermieden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Umwälzpumpe in Zwillingsbauweise, wobei die Umwälzpumpe wenigstens zwei getrennte Einzelpumpen umfasst, deren Druckstutzen zu einem gemeinsamen Ausgangsdruckstutzen zusammenlaufen, und wenigstens eine im Druckstutzen angeordnete Umschaltklappe zum Wechsel zwischen einem Ein- und Mehrpumpenbetrieb vorgesehen ist, wobei
eine Regelung für die Umwälzpumpe individuelle Stellgrößen für die Pumpenantriebe der wenigstens zwei Einzelpumpen erzeugt, um die Klappenstellung im Mehrpumpenbetrieb zu stabilisieren, wobei die individuellen Stellgrößen derart festgelegt werden, dass die Klappenstellung im Mehrpumpenbetrieb stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass

die Einzelpumpen durch die individuelle Regelung im Zwillingsbetrieb auf identische Förderströme und/oder Förderhöhen geregelt werden, um die Umschaltklappe in ihrer Mittellage zu stabilisieren, wobei die Regelung die Umwälzpumpe als Mehrgrößensystem mit den jeweiligen Pumpendrehzahlen als Stellgrößen und deren Förderhöhen bzw. Förderströmen als Regelgrößen regelt und eine Entkopplungsregelung zwischen den jeweiligen Stell- und/oder Regelgrößen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsregelung auf Grundlage einer P-kanonischen Struktur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Regelgrößen des Mehrgrößensystems mittels individueller und voneinander unabhängiger Eingrößenregler stabilisiert werden.
Regeleinheit, insbesondere Anlagensteuerung für eine Heizung, zur Regelung wenigstens einer Umwälzpumpe in Zwillingsbauweise gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Umwälzpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, in Zwillingsbauweise, wobei die Umwälzpumpe zum Empfang individueller Stellgrößen über eine externe Schnittstelle für die Ansteuerung ihrer wenigstens zwei elektrischen Pumpenantriebe geeignet ist, mit wenigstens einer Regeleinheit gemäß Anspruch 4.
Hydraulische Anlage, insbesondere Heizung, mit wenigstens einer Regeleinheit gemäß Anspruch 4 und/oder einer Umwälzpumpe gemäß Anspruch 5.